DE69332914T2

DE69332914T2 - Chirurgisches System

Info

Publication number: DE69332914T2
Application number: DE69332914T
Authority: DE
Inventors: Philip S. Palo Alto Green
Original assignee: SRI International Inc; Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1992-01-21
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2013-01-15
Also published as: JP4430095B2; EP0776738A3; DE69312053D1; DE69312053T2; EP0776739B1; CA2128606C; US6223100B1; JP5131598B2; JP4324511B2; ATE238140T1; EP0623066B1; US5808665A; CA2128606A1; EP0776739A2; EP1356781A3; JP4430096B2; JPH07504363A; EP1356781A2; US20020058929A1; WO1993013916A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein chirurgisches System für die Chirurgie an einer Behandlungs- bzw. Arbeitsstelle.
Bei den weithin bekannten Teleoperationen führt ein Mensch mithilfe von Manipulatoren Vorgänge an einem entfernt liegenden Ort durch. Bei der Telepräsenz erhält der Teleoperateur das gleiche Feedback und dieselben Kontrollmöglichkeiten wie bei der Durchführung der Operation mit eigener Hand, wenn er tatsächlich an der Behandlungsstelle wäre. Eine Operation mit Telepräsenz umfasst im Allgemeinen die Verwendung einer stationären visuellen Anzeige, insbesondere einer stereogaphischen visuellen Anzeige der Fernbehandlungsstelle. Stereoskope Televisionssysteme sind weithin bekannt, beispielsweise wie in US Patent Nr. 4.562.463 und 4.583.117 sowie der britischen Patentanmeldung GB 2.040.134 gezeigt.
Fernmanipulatoren mit stereoskopischem Fernsehen und Kraft-Feedback sind ebenfalls wohlbekannt, wie beispielsweise in dem Artikel „Controlling Remote Manipulators Through Kinesthetic Coupling" von Bejczy et al., Computers in Mechanical Engineering, Juli 1983, S. 48-60, und in dem Artikel „Stereo Advantage for a Peg-In-Hole Task Using a Force-Feedback Manipulator" von E.H. Spain, SPIE Band 1256 Stereoscopic Displays and Applications, 1990, S. 244-254 gezeigt. Im Artikel von Bejczy et al. wird ein Kraft-Drehmoment-Feedback offenbart. US Patent Nr. 3.921.445 zeigt auch einen Manipulator, der Kraft-, Drehmoment- und Schlupfsensoren eines Typs enthält, der in der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
Ein Teleexistenz-Master-Slave-System wird in dem Artikel „Tele-Existence Master Slave System for Remote Manipulation (II)" von Tachi et al., Protokoll der 29. Konferenz über Entscheidung und Kontrolle, Band 1 von 6, S. 85-90 gezeigt. Das System umfasst ein Mastersystem mit visuellem und akustischem Nachweis der Präsenz, ein Computerkontrollsystem und einen anthropomorphen Sklavenrobotermechanismus mit einem Arm mit sieben Freiheitsgraden. Die Kopf- und Armbewegungen des Chirurgen werden vom Master-Bewegungsmesssystem in Echtzeit gemessen. Anschließend werden Signale an vier Compu ter gesendet, die eine Kommandoposition der Kopf- und Armbewegungen des Roboters erzeugen, die den Kopf- und Armbewegungen des Chirurgen entsprechen.
Als allgemeine Hintergrundinformation wird angemerkt, dass US-A-4.762.455 einen Fernmanipulator zur Verwendung bei Strahlungszellen offenbart. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit chirurgischen Systemen und stellt ein chirurgisches System wie in Anspruch 1 dargelegt bereit.
Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Manipulatoren, die an einer chirurgischen Behandlungs- bzw. Arbeitsstelle angeordnet sind, werden durch manuell betätigte Mittel an einer Fernbedienungskontrollstation gesteuert. End-Wirkungsglieder an den Manipulatoren dienen der Manipulation von Gegenständen, die sich in einem Behandlungsraum an der Behandlungsstelle befinden, und über Kraft-Drehmoment-Feedback wird mechanischer Widerstand, den die End-Wirkungsglieder antreffen, an den Chirurgen zurück übertragen. Stereographische visuelle Anzeigemittel liefern dem Chirurgen ein Bild des Arbeitsraumes. Erfindungsgemäß befindet sich das Bild neben den manuell betätigten Mitteln, so dass der Chirurg in Richtung der von Hand betätigten Mittel blickt, um das Bild neben den manuell betätigten Mitteln zu betrachten. Neben den von Hand betätigten Mitteln kann entweder ein reales oder ein virtuelles Bild des Arbeitsraumes dargestellt werden. Anzeigemittel zum Anzeigen eines realen Bilds können neben den manuell betätigten Mitteln zur direkten Betrachtung des realen Bilds durch den Chirurgen angeordnet sein. Zur Anzeige eines virtuellen Bilds des Arbeitsraumes ist ein Spiegel zwischen den Augen des Chirurgen und den manuell betätigten Mitteln angeordnet. In diesem Fall liefern Anzeigemittel ein reales Bild, das von oben nach unten umgekehrt ist, wobei das umgedrehte Bild über den Spiegel betrachtet wird, der das Bild umkehrt und dem Chirurgen ein virtuelles Bild des Arbeitsraumes liefert, das sich neben den manuell betätigten Mitteln zu befinden scheint. Durch Anordnung des Bildes des Arbeitsraumes neben den manuell betätigten Mitteln erhält der Chirurg das Gefühl, dass die End-Wirkungsglieder und die manuell betätigten Mittel im Wesentlichen integral sind trotz der Tatsache, dass sich die End-Wirkungsglieder an der Behandlungsstelle befinden und die manuell betätigten Mittel an der Fernbedienungsstation angeordnet sind. Ein stereophones Tonsystem kann enthalten sein, um den Chirurgen mit ste reophonen Tönen von der Behandlungsstelle zu versorgen. Videokameramittel sind zur Betrachtung des Arbeitsraumes vorgesehen, von denen ein Bild des Arbeitsraumes erhalten wird. An der Behandlungsstelle bzw. der Bedienungsstation können zur Übertragung von Druck-, Fühl-, Wärme-, Vibrations- und ähnlichen Informationen zur Verbesserung der Telepräsenz-Operation zahlreiche andere Sensoren und darauf reagierende Mittel vorgesehen sein.
Je nach Anwendungsfall kann bei der Übertragung von Informationen zwischen der Bedienungsstation und der Behandlungsstelle unterschiedliche Skalierung zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann für Mikroanordnungen, Mikrochirurgie und ähnliche Operationen, bei denen kleine Teile manipuliert werden müssen, optische und/oder Videovergrößerung zur Anwendung kommen, um ein vergrößertes dreidimensionales Bild zur Betrachtung durch den Chirurgen zu liefern. Mit einer ähnlichen Skalierung zwischen den manuell betätigten Mitteln und den Manipulatoren entspricht die Wahrnehmung des Chirurgen im Wesentlichen derjenigen, die ein Miniaturchirurg hätte, wenn er an der Behandlungsstelle wäre.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung und ihre anderen Gegenstände und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Es versteht sich, dass die Zeichnungen lediglich der Veranschaulichung dienen und beispielhaft sind und dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile in den unterschiedlichen Ansichten bezeichnen, sind:
1 eine schematische Ansicht eines Telechirurgie-Systems, das die vorliegende Erfindung verkörpert, einschließlich Seitenansichten einer Behandlungsstelle und der Fernbedienungsstation;
2 eine vergrößerte Hinteransicht der Bedienungsstation, im Wesentlichen entlang Linie 2-2 in 1;
3 eine vergrößerte Hinteransicht der Behandlungsstelle, im Wesentlichen entlang Linie 3-3 in 1;
4 eine vereinfachte Seitenansicht ähnlich der in 1, die dimensionale Beziehungen zwischen den Elementen an der Behandlungsstelle und den Elementen an der Bedienungsstation zeigt;
5 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der visuellen Wahrnehmung durch ein virtuelles Miniaturauge, und 6 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der visuellen Wahrnehmung durch den Chirurgen bei Anwendung von Bildvergrößerung;
7 eine schematische Ansicht ähnlich der in 1, die aber das in der Telepräsenz-Chirurgie verwendete Telechirurgie-System zeigt;
8 eine Hinteransicht der in 7 gezeigten Bedienungsstation;
9 eine Hinteransicht der in 7 gezeigten Behandlungsstelle;
10 und 11 fragmentäre Seitenansichten modifizierter Formen der Bedienungsstation und des Manipulators mit erhöhten Freiheitsgraden;
12 eine Seitenansicht einer modifizierten Form der Bedienungsstation, in der Anzeigemittel zur direkten Betrachtung durch den Chirurgen vorgesehen sind;
13 eine Hinteransicht der modifizierten Form der in 12 gezeigten Bedienungsstation; und zeigt
14 einen fragmentären Teil des Einführungsteils eines Endoskops zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung.
1-3 zeigen das Telechirurgie-System mit einer Bedienungsstation 20 (1 und 2) und einer Behandlungsstelle 22 (1 und 3). Ein Chirurg 18 an der Bedienungsstation steuert das Manipulatormittel 24 an der Fernbehandlungsstelle. Das Manipulatormittel 24, das rechte und linke Manipulatoren 24R bzw. 24L umfasst, wird zur Manipulation von Objekten, beispielsweise dem Objekt 26 verwendet, das sich in der Zeichnung auf einer Plattform oder ei nem Sockel 28 innerhalb eines gestrichelt gezeichneten Arbeitsraumes 30 befindet. Nur zur Veranschaulichung und nicht als Einschränkung gedacht umfasst der rechte Manipulator 24R ein Gehäuse 32R, das am Sockel 28 befestigt ist und von dem sich ein Teleskoparm 34R erstreckt. Das innere Ende 34R1 des Arms 34R ist mit konventionellen Befestigungsmitteln so angebracht, dass es eine Schwenkbewegung in jeder beliebigen Schwenkrichtung ausführen kann. Beispielsweise kann das innere Ende des Arms 34R so angebracht sein, dass es eine Schwenkbewegung um eine horizontale Schwenkachse 36 ausführen kann, wobei die Schwenkachse wiederum eine Schwenkbewegung um die Vertikalachse 38 ausführen kann.
Der Arm 34R enthält den teleskopischen Innenabschnitt 34R1 und den Außenabschnitt 34R2, der sowohl für eine Axialbewegung in den Innenabschnitt 34R1 hinein und aus diesem heraus als auch für eine Drehung um seine Längsachse ausgelegt ist. Ein End-Wirkungsglied 40R sitzt auf dem äußeren Ende des Arms, der zur Veranschaulichung in der Zeichnung einen Greifer umfasst. Nicht gezeigte Motormittel steuern die Schwenkbewegung des Arms 34R um die Schwenkachsen 36 und 38, die Axial- und Drehbewegung des äußeren Armabschnitts 34R2 entlang der und um die Längsachse des Arms und die Öffnung und Schließung des Greifers 40R. Die Motormittel und die Motorsteuerkreisläufe zur Steuerung der Motoren können im Gehäuse 32R aufgenommen sein. Die Motoren werden von einem Computer 42 gesteuert, der über eine rechte Manipulator-Schnittstelle 44R und die oben erwähnten Motorsteuerkreisläufe damit verbunden ist.
Der linke Manipulator 24L weist im Wesentlichen dasselbe Design auf wie der rechte Manipulator 24R und für die Identifizierung ähnlicher Teile sind dieselben Bezugziffern, aber mit dem Nachtrag L anstelle von R vorgesehen. Zur Veranschaulichung umfasst das in 3 gezeigte linke End-Wirkungsglied 40L Schneidklingen, die wie eine Schere schneiden.
Die Behandlungsstelle ist mit einem Paar Videokameras 46R und 46L zur Betrachtung des Arbeitsraumes 30 aus verschiedenen Blickwinkeln zur Erzeugung stereoskopischer Signalausgänge an den Leitungen 48R und 48L versehen. Der Winkel y zwischen den optischen Achsen der in 3 gezeigten Kameras entspricht im Wesentlichen dem interokularen Blickwinkel y des Chirurgen auf ein Bild des Arbeitsraumes wie in 2 gezeigt.
Die Videokameraausgänge an den Leitungen 48R und 48L werden einem Bildspeicher 50 zugeführt, der die Videofelder rechter und linker Bilder der Kameras momentan speichert. Felder rechter und linker Bilder aus dem Bildspeicher 50 werden abwechselnd von linken/rechten Schaltmitteln 52 einem visuellen Anzeigemittel 54 zugeführt, beispielsweise einem Fernsehbildschirm, um die beiden Bilder auf der Vorderseite 54A des Bildschirms abwechselnd anzuzeigen. Zeitgabe- und Steuermittel 56 liefern Zeitgabe- und Steuersignale an verschiedene Elemente des Systems, einschließlich Elemente im stereographischen Anzeigesystem, zur Signalzeitgabe und Steuerung des Systems. Bei Verwendung des digitalen Speichermittels 50 können die Kamerasignalausgänge durch einen Analog/Digital-Wandler vor dem Speichern in eine digitale Signalform und der digitale Signalausgang aus den linken/rechten Speichermitteln als Vorbereitung für die Anzeige auf dem Bildschirm 54 in eine analoge Signalform umgewandelt werden.
Eine elektrooptische Vorrichtung 58 auf der Vorderseite des Anzeigemittels 54 steuert die Polarisierung des vom Anzeigemittel 54 empfangenen Lichts unter der Kontrolle eines linken/rechten Synchronisationssignals von der Zeitgabe- und Steuereinheit 56. Die linken und rechten Bildfelder werden vom Chirurgen 18 betrachtet, der eine passiv polarisierte Brille 60 mit rechten und linken Polarisationselementen 62 und 64, die in orthogonalen Richtungen polarisiert sind, trägt. Die Polarisation des Lichts von der Anzeige 54 durch die elektrooptische Vorrichtung 58 wird Feld für Feld synchronisiert, so dass das rechte Feld gegenüber dem linken Auge verdeckt ist und das linke Feld gegenüber den rechten Auge verdeckt ist, damit dem Chirurgen eine stereographische Ansicht ermöglicht wird. Andere Mittel für stereographische Betrachtung der linken und rechten Bildfelder sind wohlbekannt, beispielsweise einschließlich Mittel mit einer aktiven stereographischen Brille, die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um dem Chirurgen eine stereoskopische Ansicht des Fernarbeitsraumes zu bieten.
Die vertikalen Umlenkungsspulenverbindungen für den Bildschirm 54 sind umgekehrt, so dass der Bildschirm die Bilder von unten nach oben liest und so ein von oben nach unten umgedrehtes Bild 30I des Arbeitsraumes 30 erzeugt. Mit den Buchstaben a, b, c und d werden entsprechende Ecken des Arbeitsraumes 30 und des umgedrehten Arbeitsraumbildes 30I bezeichnet. Das umgedrehte Arbeitsraumbild 30I wird vom Chirurgen über einen Spiegel 66 auf der Oberseite eines Tisches 68 betrachtet, wobei der Spiegel das Bild 30I so umkehrt, dass es vom Chirurgen in einer aufrechten Position betrachtet wird. Beim Blick nach unten in Richtung des Spiegels betrachtet der Chirurg ein virtuelles Bild 30V des Arbeitsraumes 30. Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt befindet sich das vom Chirurgen betrachtete Bild, das in der Ausführung in 1-3 ein virtuelles Bild ist, neben den vom Chirurgen zur Steuerung des Manipulatormittels 24 an der Behandlungsstelle verwendeten Steuermitteln 70.
Die Steuermittel 70 sind in der Zeichnung unter der Tischplatte 68 angeordnet und enthalten rechte und linke Regler 72R und 72L für die Steuerung der rechten und linken Manipulatoren 24R bzw. 24L. Die rechten und linken Regler weisen im Wesentlichen dasselbe Design auf, so dass die Beschreibung eines Reglers auch für den anderen gilt. Wie bei den Manipulatoren dienen die nachgesetzten Zeichen R und L zur Unterscheidung der Elemente des rechten Reglers von denen des linken Reglers. Zur Veranschaulichung, aber nicht als Einschränkung gedacht, umfasst der rechte Regler 72R einen Träger 74R, der an der Unterseite der Tischplatte 68 befestigt ist und von dem sich ein manuell betätigtes Mittel 76R in Form eines teleskopischen Steuerarms oder -stabs erstreckt.
Die rechten und linken Steuerarme 76R und 76L besitzen dieselben Freiheitsgrade wie die zugehörigen Manipulatorarme 34R bzw. 34L. Beispielsweise ist das innere Ende des Steuerarms 76R so angebracht, dass es eine Schwenkbewegung um eine horizontale Schwenkachse ausführen kann, die der Schwenkachse 36 des Manipulators entspricht, wobei die Achse wiederum eine Schwenkbewegung um eine schneidende Vertikalachse entsprechend der Manipulatorachse 38 ausführen kann. Der Steuerarm 76R enthält ferner einen inneren Abschnitt 76R1 und einen äußeren Abschnitt 76R2, der sowohl für eine Axialbewegung in den Innenabschnitt 76R1 hinein und aus diesem heraus als auch für eine Drehung um seine Längsachse ausgelegt ist. Es ist ersichtlich, dass der Steuerarm 76R dieselben vier Freiheitsgrade besitzt wie der zugehörige Manipulatorarm 34R. Zusätzlich sind Sensormittel 78R neben dem äußeren Ende des äußeren Armabschnitts 76R2 als Hilfe bei der Steuerung der Greifaktion des Greifers 40R vorgesehen. Ähnliche Sensormittel 78L neben dem äußeren Ende des Steuerarms 76L dienen der Steuerung der Scherenklingen 40L.
Rechte und linke Regler 72R und 72L sind in einem Servomechanismus-System enthalten, in dem die mechanische Bewegung der Steuerarme 76R und 76L die Stellung der Manipulatorarme 34R und 34L kontrolliert und der Druck auf die Sensormittel 78R und 78L die Öffnung und Schließung der End-Wirkungsglieder 40R und 40L kontrolliert. In 1 sind rechte und linke Handsteuerungsschnittflächen 80R und 80L zur Verbindung der Regler mit dem Computer 42 gezeigt. Servomechanismen zur Steuerung der mechanischen Bewegung an einem entfernten Ort sind wohlbekannt, einschließlich solche mit Kraft- und Drehmoment-Rückmeldung vom Manipulator zu den manuell betätigten Steuermitteln. Bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung kann jeder geeignete Servomechanismus des Standes der Technik verwendet werden, wobei Mechanismen mit Kraft- und Drehmoment-Rückmeldung für Telepräsenz-Operationen des Systems besonders bevorzugt werden. Im gezeigten System sind an der Behandlungsstelle rechte und linke Mikrophone vorgesehen, deren Ausgänge von rechten und linken Verstärkern verstärkt und zu rechten und linken Lautsprechern an der Bedienungsstation weitergeleitet werden, um eine stereophone Tonausgabe bereitzustellen, um dem Chirurgen eine Tonwahrnehmung des Arbeitsraumes zu liefern. In 1 ist nur der rechte Kanal des stereophonen Systems gezeigt, mit einem rechten Mikrophon 82R, einem rechten Verstärker 86R und einem rechten Lautsprecher 88R. Das linke Mikrophon und der linke Lautsprecher befinden sich direkt hinter dem jeweiligen rechten Mikrophon und Lautsprecher an der Behandlungsstelle und der Bedienungskontrollstation wie in 1 zu sehen. Natürlich können auch Ohrhörer bereitgestellt werden, die der Chirurg anstelle der Lautsprecher verwenden kann, wobei es dann möglich wäre, externe Geräusche an der Bedienungskontrollstation auszuschalten. In 1 ist auch ein Lichtschild 54B am Bildschirm gezeigt zur Blockierung der direkten Sicht auf die Vorderseite des Bildschirms durch den Chirurgen.
4 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht des in 1-3 gezeigten Systems, worin die unterschiedlichen Längen und Winkelpositionen durch Bezugszeichen gekennzeichnet sind. In 4 wird die optische Pfadlänge zwischen den Kameras und einem Punkt F am Arbeitsraum durch das Bezugszeichen L gekennzeichnet. Eine entsprechende Pfadlänge zwischen den Augen des Chirurgen und dem Punkt F am virtuellen Bild des Arbeitsraumes wird durch den Abstand a + b identifiziert, wobei a der Abstand von den Augen des Chirurgen zum Spiegel 66 und b der Abstand vom Spiegel zum Punkt F am virtuellen Bild ist. Weitere ge zeigte Abmessungen sind die Höhe G der Kameras über dem Schwenkpunkt des Manipulatorarms 34R und die entsprechende Höhe g der Augen des Chirurgen über dem Schwenkpunkt des Kontrollarms 76R. Wenn der Steuerarm 76R die Länge d hat, passt der Manipulatorarm 34R die Länge D an. Wenn der Steuerarm 76R sich in einem Winkel β_A zur Vertikalen befindet, wird der Manipulatorarm 34R analog im selben Winkel von der Vertikalen positioniert. Der Winkel von der Vertikalen, in dem die Kameras den Arbeitsraum betrachten und in dem die Augen das virtuelle Bild des Arbeitsraums betrachten, wird durch α identifiziert.
Zwischen den Elementen der Behandlungsstelle und der Bedienungsstation gelten folgende Beziehungen:
a + d = kL (1)
d = kD und (2)
g = kG (3)
wo k eine Skalierungsfaktorkonstante ist.
Wenn k 1 ist, also wenn a + b = L, d = D und g = G, ist keine Skalierung der Abmessungen der Behandlungsstelle erforderlich.
Es kann jeder Skalierungsfaktor verwendet werden, wobei die Erfindung nicht auf die Manipulation im vollen Maßstab beschränkt ist. Beispielsweise kann die Behandlungsstelle klein sein, einschließlich mikroskopisch klein, wobei dann die optischen Parameter, einschließlich der Abstand vom Objekt, der interokulare Abstand und die Brennweite und die mechanischen und dimensionalen Parameter entsprechend skaliert werden.
Durch Verwendung einer entsprechenden Skalierung und Bildvergrößerung und Kraft- und Drehmoment-Rückmeldung und durch Anordnung des Bildes 30V des Arbeitsraums 30 neben den manuell betätigten Steuermitteln 76R und 76L erhält der Chirurg ein starkes Gefühl für die direkte Steuerung der End-Wirkungsglieder 40R und 40L. Der Chirurg erhält ein Gefühl dafür, dass die End-Wirkungsglieder 40R und 40L und die jeweiligen Steuerarme 76R und 76L im Wesentlichen integral sind. Dieses gleiche Gefühl des Zusammengehörens der manu ell betätigten Steuermittel und End-Wirkungsglieder ist bei den Anordnungen des Standes der Technik nicht gegeben, bei denen das vom Chirurg betrachtete Bild nicht neben den manuell betätigten Steuermitteln angeordnet ist. Auch wenn der Stand der Technik stereoskopische Ansichten und Kraft- und Drehmoment-Rückmeldung umfasst, besteht das Gefühl, dass die Handbewegungen von dem visuellen Bildobjekt, an dem gearbeitet wird, getrennt sind. Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Gefühl des Getrenntseins durch Anordnung des Arbeitsraumbildes an der Stelle, an der die Hände des Chirurgen die End-Wirkungsglieder direkt zu steuern scheinen.
Für Manipulationen im kleinen Maßstab, beispielsweise bei chirurgischen Anwendungen, ist es wünschenswert, die visuelle Erfahrung, die ein Miniaturbeobachter hätte, wenn er sich direkt neben der tatsächlichen Behandlungsstelle befinden würde, zu replizieren. In 5 ist das virtuelle Auge 90 eines hypothetischen Miniaturbeobachters gezeigt, das einen tatsächlichen Arbeitsraum betrachtet. Licht von einer Quelle an einem Punkt X, Y, Z im tatsächlichen Arbeitsraum erzeugt einen Stimulus auf das Auge 90 des Miniaturbeobachters an einem Punkt, der als X'/M gekennzeichnet ist. In 6 ist ein Auge 92 eines tatsächlichen Chirurgen gezeigt, das ein vergrößertes Bild des virtuellen Arbeitsraumes betrachtet, das mit einer zum Betrachten des tatsächlichen Arbeitsraumes verwendeten Videokamera 94 erzeugt wurde. Die gezeigte Kamera enthält eine Licht empfangende Linse 96 und eine bildgebende Halbleitervorrichtung, beispielsweise eine CCD-Anordnung (CCD – Charge Coupled Device) 98, wo die Punktlichtquelle bei X, Y, Z im Punkt X;, Y;, Z; abgebildet ist. Mit der korrekten Skalierung wird eine entsprechende Lichtquelle am Punkt MX_i, MY_i, MZ_i entweder an der realen oder an der scheinbaren Position der Vorderseite der visuellen Anzeige erzeugt, wobei aufgrund des stereoskopischen Betriebs des Systems es für den Chirurgen den Anschein hat, als ob sie vom Punkt MX, MY, MZ entsprechend dem Punkt X, Y, Z am tatsächlichen Arbeitsraum ausgehen würde. Auf der Retina des tatsächlichen Auges 92 wird ein Stimulus erzeugt, an Punkt X' in der proportional selben Position wie Punkt X'/M am Auge 90 des hypothetischen Beobachters. Diese Beziehung wird gewährleistet, indem ein korrekt skalierter Kameraabstand und eine solche Linsenbrennweite gewählt wird, dass die optische Vergrößerung M₀ = M/M_v, wobei M die gewünschte Gesamtvergrößerung und M_v die Videovergrößerung ist. Eine typische Videovergrößerung M_v entsprechend dem Verhältnis der Breite der CCD-Anordnung 98 zur Anzeigenbreite ist ca. 40.
7 bis 9 zeigen eine modifizierte Form der vorliegenden Erfindung für medizinische Zwecke. Hier sind rechte und linke Manipulatoren 100R und 100L gezeigt, die von rechten und linken Reglern 102R und 102L gesteuert werden. Die Elemente des bildgebenden Systems sind im Wesentlichen dieselben wie die im oben beschriebenen und in 1-3 gezeigten bildgebenden System, mit der Ausnahme, dass ein vergrößertes virtuelles Bild 104V des tatsächlichen Arbeitsraumes 104 zur Betrachtung durch den Chirurgen bereitgestellt wird. Ferner sind die Servomechanismus-Elemente zur Verbindung der rechten und linken Regler 102R und 102L mit den jeweiligen Manipulatoren 100R und 100L im Wesentlichen dieselben wie die oben mit Bezug auf 1-3 beschriebenen. In der gezeigten Anordnung weisen die rechten und linken Manipulatoren im Wesentlichen dieselbe Konstruktion auf wie die rechten und linken Regler, so dass eine Beschreibung eines Manipulators und eines Reglers für beide gilt. Auch hier werden die rechten und linken Elemente wieder mit einem nachgestellten R oder L gekennzeichnet.
Die Manipulatoren umfassen äußere Steuerabschnitte 100RA und 100LA und Einsetzsektionen 100RB und 100LB, die durch zylindrische Röhren oder Kanülen (nicht gezeigt) in eine Körperhöhle eingeführt werden können. Zur Veranschaulichung sind die Manipulatoren durch die Bauchwand 106 eines Probanden eingeführt gezeigt. Für laparoskopische Eingriffe wird bekanntlich die Wand 106 durch Insufflation von den inneren Organen getrennt, wobei ein Gas durch ein nicht gezeigtes geeignetes Mittel in den Bauchraum eingeführt wird. Manipulatormotoren und zugehörige Motorsteuerkreisläufe sind in den äußeren Steuerabschnitten 100RA und 100LA der Manipulatoren zur Steuerung der Einsetzsektion enthalten. Die Manipulatoren werden zusammen mit einem Laparoskop 108 zur Betrachtung von Organen innerhalb der Körperhöhle von einer feststehenden Schiene 110 getragen, die Teil eines Operationstisches ist, auf dem der Proband liegt.
Die Einsetzsektionen 100RB und 100LB der Manipulatoren können im Wesentlichen dasselbe Design aufweisen wie die oben mit Bezug auf die Ausführungsform in 1-3 beschriebenen Manipulatorarme 34R und 34L. Die Einsetzsektionen sind relativ klein, damit sie im Körper angewendet werden können. Die Einsetzsektion 100RB enthält einen teleskopartigen inneren Abschnitt 112R1 und einen äußeren Abschnitt 112RB, der so ausgelegt ist, dass er sowohl eine Axialbewegung in den inneren Abschnitt 112R1 hinein und aus diesem heraus als auch eine Drehung um seine Längsachse ausführen kann. End-Wirkungsglieder 114R und 114L werden an den äußeren Enden der jeweiligen rechten und linken Abschnitte 112R2 und 112L2 zur Manipulation des Organs 116 getragen. Der innere Abschnitt 112R1 kann eine Schwenkbewegung um schneidende lotrechte Achsen, die im Wesentlichen an Punkt P angeordnet sind, wo die Einsetzsektion die Wand 106 schneidet, ausführen. Unter Ausschluss des Betriebs der End-Wirkungsglieder 114R und 114L besitzen die Manipulatorarme jeweils vier Freiheitsgrade, die gleichen wie in der in 1-3 gezeigten Ausführungsform. Die End-Wirkungsglieder 114R und 114L können einfach im Wesentlichen mikrochirurgische Instrumente umfassen, deren Handstücke entfernt wurden, einschließlich beispielsweise Retraktoren, elektrochirurgische Schneideinrichtungen und Koagulatoren, Mikropinzetten, Mikronadelhalter, Sezierscheren, Klingen, Irrigatoren und Nahtmaterial.
Das Laparoskop 108 zur Betrachtung des Arbeitsraumes 104 umfasst in der Zeichnung einen äußeren Betriebsabschnitt 108A und eine Einsetzsektion 108B. Der äußere Endabschnitt 120 der Einsetzsektion 108B ist innerhalb des inneren Endes 122 axial und drehbar beweglich und ist zur stereoskopischen Betrachtung des Arbeitsraumes 104 mit einem Paar Bildübertragungsfenster 124, 124 versehen. Das Laparoskop ist ferner mit einem nicht gezeigten Beleuchtungsmittel zur Beleuchtung des Arbeitsraumes und mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass (nicht gezeigt) für den Fluss von Flüssigkeit an den Fenstern vorbei ausgestattet. Videokameramittel im Abschnitt 108A reagieren auf Licht, das durch die Sichtfenster empfangen wird, zur Erzeugung von linken und rechten elektronischen Bildern an den Ausgangsleitungen 48R und 48L zur Verbindung mit einem Bildspeicher 50. Ein vergrößertes dreidimensionales Bild 104I wird an dem Anzeigemittel 54 zur Betrachtung durch den Chirurgen, der eine kreuzpolarisierte Brille 60 trägt, über einen Spiegel 66 erzeugt. Wie bei der in 1-3 gezeigten Ausführungsform wird ein virtuelles Bild 104V des Arbeitsraumes 104 neben den Steuerarmen 130R und 130L der Regler 102R und 102L erzeugt. Die Steuerarme 130R und 130L sind von derselben Art wie die Steuerarme 76R und 76L der oben beschriebenen Ausführungsform in 1-3. Sie enthalten teleskopische innere und äußere Abschnitte 132R1 und 132R2 sowie 132L1 und 132L2. Sensormittel 134R und 134L befinden sich neben den äußeren Enden der Steuerarme und steuern den Betrieb der End-Wirkungsglieder 114R und 114L in der oben mit Bezug auf 1-3 beschriebenen Weise. Es sei hier angemerkt, dass der Winkel von der Vertikalen, in dem das Bild von dem Chirurgen betrachtet wird, nicht dem Winkel von der Vertikalen entsprechen muss, bei dem das Objekt von den Kameras betrachtet wird. In der in 7-9 gezeigten Anordnung betrachtet der Chirurg das Bild 104V in einem Winkel θ von der Vertikalen (7), während das Objekt 116 so gezeigt wird, als würde es direkt von oben nach unten betrachtet werden. Ohne externe Referenz ist das Gefühl für die Vertikale innerhalb eines Körpers nicht besonders ausgeprägt, und im Kopf des Chirurgen entsteht keine Verwirrung als Folge davon, dass die Betrachtungswinkel des Beobachters und der Kamera relativ zur Vertikalen unterschiedlich sind.
Die Ausführungsform in 7-9 zeigt nicht nur ein vergrößertes virtuelles Bild 104V des Arbeitsraumes zur Betrachtung durch den Chirurgen, sondern es werden auch Steuerarme 130R und 130L verwendet, die länger sind als die Manipulator-Einsetzsektionen 100RB und 100LB. Die Servomechanismus-Skalierung der Axialbewegung der teleskopischen Steuerarme erfolgt so, dass axiales Ausstrecken oder Zurückziehen der Steuerarme zu geringerem Ausstrecken oder Zurückziehen der teleskopischen Einsetzsektionen führt. Die winkelförmige Schwenkbewegung der Steuerarme 130R und 130L erzeugt die gleiche winkelförmige Schwenkbewegung der Einsetzsektionen 100RB und 100LB, und eine Drehbewegung der Endabschnitte 132R2 und 132L2 der Steuerarme verursacht die gleiche Drehbewegung der Endabschnitte 112R2 und 112L2 der Einsetzsektionen der rechten und linken Manipulatoren ohne Skalierung. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform mit ihrem vergrößerten Bild eignet sich besonders für die Anwendung in der Mikrochirurgie, insbesondere in Fällen, in denen der Chirurg aufgrund von Größeneinschränkungen einen Bereich nicht mit der Hand erreichen kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Anwendung mit Manipulatoren mit einer bestimmten Zahl von Freiheitsgraden begrenzt. Manipulatoren mit unterschiedlichen Freiheitsgraden, die im Stand der Technik wohlbekannt sind, können bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. 10 und 11, auf die jetzt Bezug genommen wird, zeigen einen Regler 140 und einen Manipulator 142 mit einer Gelenkeinrichtungsverbindung, um dem Manipulator zusätzliche Bewegungsfreiheit zu verleihen. Der gezeigte Regler 140 enthält ein Gehäuse 144, das an der Unterseite der Tischplatte 68, auf der sich der Spiegel 66 befindet, befestigt ist. Ein vergrößertes virtuelles Bild 146V des tatsächlichen Ar beitsraumes 146 wird neben der Hand 148 des Chirurgen gezeigt, das der Chirurg betrachten kann, wenn er auf die oben beschriebene Weise nach unten in den Spiegel 66 blickt.
Ein Steuerarm 150L mit inneren und äußeren Abschnitten 150L1 bzw. 150L2 ist im Gehäuse 144 für eine Schwenkbewegung in jeder beliebigen Schwenkrichtung angebracht, wie durch die doppelköpfigen Pfeile 152 und 154 gezeigt. Der äußere Abschnitt 150L2 kann sich in den inneren Abschnitt 150L1 und aus diesem heraus in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 156 axial bewegen. Er kann sich auch um seine Längsachse in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 158 drehen. In dieser. Ausführungsform enthält der Steuerarm einen Endabschnitt 160, der durch die Gelenkeinrichtungsverbindung 162 schwenkbar am äußeren Abschnitt 150L2 befestigt ist, damit er in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 164 schwenken kann. Der Endabschnitt 160 umfasst axial ausgerichtete innere und äußere Abschnitte 160A und 160B, von denen der äußere Abschnitt 160B um seine Längsachse in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 166 drehbar ist. Wie bei den oben beschriebenen Anordnungen sind Sensormittel 168 neben dem freien Ende des Steuerarms zur Betätigung eines End-Wirkungsglieds 170 am Manipulator 142, wie in 11 gezeigt, angeordnet.
In 11 ist ein End-Wirkungsglied 170 gezeigt, das ein Paar beweglicher, an einer Gelenkeinrichtung 172 mit axial ausgerichteten Verbindungen 172A und 172B befestigte Backen umfasst. Die äußere Verbindung 172B ist durch ein nicht gezeigtes Motormittel um ihre Längsachse relativ zur inneren Verbindung 172A in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 166M als Reaktion auf die Drehung des Abschnitts 160B der manuell betätigten Steuereinheit in Richtung des Pfeils 166 drehbar. Die Gelenkeinrichtungsverbindung 172A ist schwenkbar am Vorderarm 174 des Manipulators befestigt, um eine Schwenkbewegung in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 164M als Reaktion auf die Schwenkbewegung des Endabschnitts 160 des manuell betätigten Steuermittels um die Sckwenkachse 162 ausführen zu können. Der Vorderarm 174 ist in Längsrichtung axial in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 156M als Reaktion auf die Axialbewegung des äußeren Abschnitts 150L2 des Steuerarms 150L in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 156 bewegbar. Er ist auch um seine Längsachse in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 158M als Reaktion auf die Drehung des äußeren Abschnitts 150L2 des Steuerarms 150L in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 158 drehbar. Ferner ist er um den Punkt 176 in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 152M und 154M als Reaktion auf die Schwenkbewegung des Steuerarms 150L in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 152 bzw. 154 schwenkbar. Für biomedizinische Zwecke, beispielsweise für laparoskopische Fernoperationen, befindet sich der Schwenkpunkt 176 im Wesentlichen auf Höhe der Bauchwand 178, durch die sich der Manipulator erstreckt. In 11 erstreckt sich der Manipulatorarm 174 durch eine Kanüle 180, die die Bauchwand durchdringt.
Das äußere Arbeitsende des Manipulators kann an einer nicht gezeigten Trägerschiene auf dem Operationstisch, auf dem der Patient liegt, befestigt werden. Es enthält einen Antriebsmotor 182 für das End-Wirkungsglied zum Öffnen und Schließen des Greifers 170. Der Gelenkeinrichtungs-Antriebsmotor 184 steuert die Schwenkbewegung der Gelenkeinrichtung 172 in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 164M und der Verlängerungs-Antriebsmotor 186 steuert die Axialbewegung des Manipulatorarms 174 in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 156M. Motoren zur Kontrolle der Schwenkbewegung des Vorderarms und Verbindungen, die allgemein mit der Bezugsziffer 188 identifiziert sind, sorgen für die Schwenkbewegung des Arms 174 um den Schwenkpunkt 176 in Richtung der Pfeile 152M und 154M. Die Schwenkbewegung um den Punkt 176 erfolgt durch gleichzeitige seitliche Bewegung des äußeren Arbeitsendes des Manipulators und Schwenkbewegung des Arms 174. Die Bewegungen sind so koordiniert, dass das Drehzentrum des Vorderarms 174 am Punkt 176 in Höhe der Bauchwand festgelegt ist.
Der Regler 140 und der Manipulator 142 sind in einem System wie in 7, 8 und 9 gezeigt enthalten, das einen zweiten Regler und Manipulator zur Verwendung durch die rechte Hand des Chirurgen sowie ein zugehöriges Servomechanismusmittel jedes geeigneten Typs (nicht gezeigt) für die Fernsteuerung der Manipulatoren durch die manuell betätigten Regler enthält. Videokameramittel an der Behandlungsstelle, wie beispielsweise in 9 gezeigt, werden zusammen mit Anzeigemitteln, wie beispielsweise in 7 gezeigt, verwendet, um dem Chirurgen ein Bild des Arbeitsraums an einer Stelle neben den linken und rechten manuell betätigten Steuermitteln zu liefern. Durch die Verwendung von Manipulatoren mit einer Gelenkeinrichtungsverbindung wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad für erhöhte Manövrierbarkeit und Nützlichkeit erreicht. Wie oben erwähnt ist die vorliegende Erfindung aber nicht auf die Verwendung von Manipulatoren mit bestimmten Freiheitsgraden beschränkt.
In 12 und 13 ist eine abgewandelte Form dieser Erfindung gezeigt, die die direkte Betrachtung eines dreidimensionalen Bilds 240I eines nicht gezeigten Arbeitsraums gestattet. In 12 und 13 ist nur die Bedienungsstation gezeigt, die rechte und linke Regler 242R und 242L und zugehörige rechte und linke manuell betätigte Mittel 244R und 244L enthält, die vom gleichen Typ sein können wie die oben beschriebenen Regler und Steuerarme. Die Bedienungsstation ist für die Fernsteuerung von Manipulatoren, die ebenfalls vom gleichen Typ wie oben sein können, ausgestattet. Das dreidimensionale Bild 240I des Arbeitsraums wird durch visuelles Anzeigemittel 246 in Verbindung mit der elektrooptischen Vorrichtung 58 an der Vorderseite des Anzeigemittels und einer kreuzpolarisierten Brille 60, die der Chirurg trägt, geliefert, wobei dem Anzeigemittel linke und rechte Videofelder von linken und rechten Videokameras, die den Arbeitsraum betrachten, abwechselnd zugeführt werden, und zwar jeweils wie oben ausführlich beschrieben. Im Arbeitsraumbild sind Bilder 248 und 250 des End-Wirkungsglieds bzw. Objekts gezeigt, wie sie von den Videokameras an der Behandlungsstelle gesehen werden. Das Anzeigemittel 246 befindet sich neben den linken und rechten manuell betätigten Mitteln 244R und 244L für die direkte Betrachtung durch den Chirurgen. Bei dieser Anordnung können die Bilder des End-Wirkungsglieds und des Objekts zusammen mit den manuell betätigten Mitteln 244R und 244L gleichzeitig vom Chirurgen betrachtet werden. Da auch die manuell betätigten Mittel sichtbar sind, erhält der Chirurg das visuelle Gefühl einer Verbindung zwischen den End-Wirkungsgliedern und den manuell betätigten Mitteln, wodurch sie im Wesentlichen integral erscheinen.
In 14 ist der distale Endabschnitt oder Endstück 260 der Einsetzsektion eines Endoskops gezeigt, das im Wesentlichen vom gleichen Typ ist wie in der oben erwähnten Publikation mit dem Titel „Introduction to a New Project for National Research and Development Program (Lange-Scale Project) in FV 1991" gezeigt, wobei das Endoskop in der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen kann. Das Einführungsende des Endoskops enthält ein Paar voneinander beabstandete Sichtfenster 262R und 262L und eine Beleuchtungsquelle 264 für die Betrachtung und Beleuchtung eines zu beobachtenden Arbeitsraums. An den Fenstern empfangenes Licht wird von Objektivlinsenmitteln (nicht gezeigt) fokussiert und durch optische Faserbündel zu einem Kamerapaar am Arbeitsende des Endoskops (nicht gezeigt) übertragen. Die Kameraausgänge werden in ein dreidimensionales Bild des Arbeitsraums umgewandelt, das neben den manuell betätigten Mitteln an der Bedie nungsstation (nicht gezeigt) angeordnet wird. Rechte und linke steuerbare Katheter 268R und 268L laufen durch Hilfskanäle im Korpus des Endoskops, die sich wie gezeigt vom distalen Endabschnitt heraus erstrecken können. End-Wirkungsglieder 270R und 270L sind an den Enden der Katheter vorgesehen, die konventionelle endoskopische Instrumente aufweisen können. Nicht gezeigte Kraftsensoren werden ebenfalls durch die Endoskopkanäle eingeführt. Steuerbare Katheter mit Führungsdrähten zur Kontrolle der Biegung der Katheter und der Arbeit eines End-Wirkungsglieds, das sich für die vorliegende Erfindung eignet, sind wohlbekannt. Steuermotoren für die Bedienung der Führungsdrähte sind am Arbeitsende des Endoskops vorgesehen, wobei diese Motoren in einem Servomechanismus des oben beschriebenen Typs für die Betätigung der steuerbaren Katheter und der zugehörigen End-Wirkungsglieder von einer Fernbedienungsstation aus enthalten sind. Wie bei den anderen Ausführungsformen verfolgt der Schnittstellencomputer im Servomechanismussystem die Handbewegung des Chirurgen und zeichnet sie im Koordinatensystem der End-Wirkungsglieder auf, und Bilder der End-Wirkungsglieder sind neben den manuell betätigten Reglern wie oben beschrieben zu sehen. Bei dieser Ausführungsform hat der Chirurg das Gefühl, durch das Endoskop zu greifen und seine Hände direkt auf die End-Wirkungsglieder zu legen, um diese steuern zu können. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform können verschiedene Arten von Endoskopen verwendet werden, vorausgesetzt sie enthalten einen oder mehrere Hilfskanäle zur Kontrolle der End-Wirkungsglieder sowie geeignete Sichtmittel für die Bereitstellung einer visuellen Anzeige des Arbeitsraums. Beispielsweise können Magen-, Kolon- und andere Endoskope verwendet werden.
Die Erfindung wurde zwar detailliert gemäß den Anforderungen der Patentgesetze beschrieben, aber diverse andere Veränderungen und Abwandlungen sind für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich. Wie oben erwähnt kann die Erfindung beispielsweise Tastrückmeldung umfassen, um die Gefühle für Abtasten und Manipulieren von Geweben und Instrumenten zu vermitteln. Für diese Rückmeldung können Tastsensoneihen auf den End-Wirkungsgliedern enthalten sein, die mit Tastsensorstimulatoneihen auf den manuell betätigten Steuermitteln gekoppelt sein können und die das Tastgefühl an den Händen des Chirurgen reproduzieren. Eine Vielzahl von Transduktionstechniken für Tastgefühl bei Teleoperationen sind bekannt, darunter Widerstand/Leitung, Halbleiter, piezoelektrisch-kapazitiv und photoelektrisch. Es können manuell betätigte Steuermittel und Manipulatoren unterschiedlicher Arten unter Anwendung einer Vielzahl verschiedener wohlbekannter Mechanismen und elektromechanischer Elemente, einschließlich beispielsweise kardanische Ringe, Verbindungsgestänge, Riemenscheiben, Kabel, Antriebsgurte und -bänder, Getriebe, optische oder elektromagnetische Positionscodierer und Winkel- und lineare Motoren verwendet werden. Kraft-Rückmeldung an den Chirurgen erfordert die Verwendung eines Körperkontakts mit den manuell betätigten Steuermitteln. Sowohl Handregler vom Handgrifftyp wie gezeigt als auch Handregler vom Kontrollstrebentyp eignen sich zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung als Kraft-Rückmelder zum Chirurgen. Handregler vom Kontrollstrebentyp beinhalten die Verwendung von Strukturen mit positiven Sensoren, die an Gelenken zur Messung der Gelenkwinkel am Chirurgen befestigt sind. Jedes Gelenk kann dann mit Kraft-Rückmeldung versorgt werden. Auch leichte Stoffhandschuhe mit Sensoren mit variablem Widerstand oder faseroptischen Flexsensoren, die zur Messung der Biegung einzelner Finger auf den Gelenken angebracht sind, können verwendet werden. Handschuhe dieser Art können auch mit Kraft-Rückmeldung ausgestattet sein, um eine Telepräsenz-Interaktion mit realen Objekten zu ermöglichen. Unabhängig von der Art des verwendeten manuellen Steuermittels wird ein Bild des Arbeitsraums daneben erzeugt, damit der Chirurg das Gefühl erhält, dass die End-Wirkungsglieder und die manuell betätigten Steuermittel im Wesentlichen integral sind. Wie oben erwähnt sind auch Servomechanismen vieler unterschiedlicher Arien auf den Gebieten von Roboter- und Teleoperateursystemen wohlbekannt und die Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Typ beschränkt. Systeme mit Kraft- und Drehmoment-Rückrrieldung an den Chirurgen werden bevorzugt, weil sie zu dem Telepräsenzgefühl der Operation beitragen. Darüber hinaus sind viele unterschiedliche Mittel zur Erzeugung eines stereoskopischen Bilds des Arbeitsraums bekannt. Beispielsweise kann anstelle von zwei Kameras nur eine einzelne Kamera zusammen mit geschalteten kreuzpolarisierenden Elementen im Bildempfangspfad verwendet werden. In diesem Fall wird ein Paar beabstandete stereoskopische Linsen zur Betrachtung des Arbeitsraums aus verschiedenen Winkeln und zur Bereitstellung von ersten und zweiten Bildern des Arbeitsraums an der Kamera verwendet. In der Anordnung von 9, die ein Laparoskop zeigt, können auch andere Arten von Endoskopen für die Betrachtung des Arbeitsraums verwendet werden.

Claims

Chirurgisches System für die Chirurgie an einer Behandlungs- bzw. Arbeitsstelle (22), die patientenintern ist, wobei das chirurgische System ein chirurgisches Instrument (142), einen Servomechanismus (42) und einen Regler (140) aufweist, wobei das chirurgische System (142) eine Einsetzsektion (145) und eine Steuerungssektion (143) umfasst, wobei: die Einsetzsektion eine Vorderarmverbindung (174) und ein End-Wirkungsglied (170) umfasst und angepasst ist, um in einen Patienten durch einen kleinen Einschnitt (180) zu einer Stelle eingesetzt zu werden, welche an die Behandlungsstelle (22) innerhalb des Patienten angrenzt; die Vorderarmverbindung (174) ein proximales Ende hat, das mit der Steuerungssektion (143) verbunden ist und ein distales Ende, das mit dem End-Wirkungsglied (170) verbunden ist; das End-Wirkungsglied (170) ein Kopf eines chirurgischen Instrumentes ist; die Steuerung (140) ein Gehäuse (144), eine äußere Verbindung (150L2), eine innere Verbindung (150L1), eine Endenverbindung (160) und einen Sensor (168) aufweist, wobei: die Endenverbindung (160) den Sensor (168) trägt und angepasst ist, um durch einen Chirurgen gehalten zu werden, so dass der Chirurg die Endenverbindung (160) bewegen und den Sensor (168) unabhängig aktivieren kann; die Endenverbindung (160) ein proximales Ende hat, das an das distale Ende der äußeren Verbindung gekoppelt ist, und die äußere Verbindung (150L2) ein proximales Ende hat, das mit der inneren Verbindung verbunden ist; die innere Verbindung (150L1) ein proximales Ende hat, welches mit dem Gehäuse (144) verbunden ist, und ein distales Ende, welches mit der äußeren Verbindung (150L2) verbunden ist; die innere Verbindung (150L1) mit dem Gehäuse (144) durch ein oder mehrere Gelenke verbunden ist; die äußere Verbindung (150L2) mit der inneren Verbindung (150L1) durch ein oder mehrere Gelenke verbunden ist; wobei der Servomechanismus (42) die Steuerung (140) mit den chirurgischen Instrumenten koppelt, so dass die Bewegung der Endenverbindung (160) der Steuerung gegenüber dem Gehäuse (144) eine Schwenkbewegung der Vorderarmverbindung (174) um den kleinen Einschnitt bewirkt, um so eine Bewegung des End-Wirkungsgliedes der Einsetzsektion gegenüber dem kleinen Einschnitt zu bewirken, welche der Bewegung der Endenverbindung (160) gegenüber dem Gehäuse entspricht, und wobei die Aktivierung des Sensors (168) eine Betätigung des End-Wirkungsgliedes bewirkt.
Chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem die Steuerungssektion (143) für das chirurgische Instrument (142) eine Einrichtung zum Schwenken der Einsetzsektion (145) um zwei senkrechte Achsen umfasst, die sich an einem Schwenkpunkt schneiden, welcher dem kleinen Einschnitt (180) benachbart ist, eine Einrichtung zum Einsetzen und Zurückziehen der Einsetzsektion (145) relativ zum kleinen Einschnitt (180), und eine Einrichtung zum Drehen der Einsetzsektion (145).
Chirurgisches System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das System ein laparoskopisches chirurgisches System ist und der Kopf des chirurgischen Instruments ein laparoskopisches chirurgisches Instrument aufweist.
Chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem die Einsetzsektion (145) des chirurgischen Instruments (142) eine Vorderarmverbindung (174) und ein End-Wirkungsglied (170) umfasst, wobei die Vorderarmverbindung (174) ein proximales Ende hat, welches mit der Steuerungssektion (143) verbunden ist, und ein distales Ende, welches mit dem End-Wirkungsglied (170) verbunden ist.
Chirurgisches System nach Anspruch 4, bei dem die Steuerung (140) eine Endenverbindung (160) umfasst, welche den Sensor (168) trägt, wobei die Endenverbindung (160) ein proximales Ende hat, das distal an die äußere Verbindung (150L2) gekoppelt ist, wobei die Endenverbindung (160) anstelle der äußeren Verbindung (150L2) so angepasst ist, dass sie durch einen Chirurgen in einer Weise gehalten werden kann, dass der Chirurg die äußere Verbindung (150L2) bewegen und den Sensor (168) unabhängig aktivieren kann, und wobei eine Schwenkbewegung der Endenverbindung (160) anstelle der äußeren Verbindung (150L2) gegenüber dem Gehäuse (144) eine Schwenkbewegung des End-Wirkungsgliedes (170) der Einsetzsektion (145) des Instruments entsprechend der Bewegung der Endenverbindung (160) gegenüber dem Gehäuse (144) bewirkt.
Chirurgisches System nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Steuerungssektion (143) eine Vielzahl von Motoren und Verbindungen (182, 184, 186, 188) umfasst, und so betrieben werden kann, dass sie Vorderarmverbindung (174) einsetzt und zurückzieht, die Vorderarmverbindung (174) dreht und die Vorderarmverbindung (174) um zwei senkrechte Achsen schwenkt, welche sich an einem Punkt benachbart zum kleinen Einschnitt schneiden.
Chirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Servomechanismus (42) die Steuerung (140) mit dem chirurgischen Instrument (142) so koppelt, dass eine Schwenkbewegung der inneren Verbindung (150L1) der Steuerung (140) gegenüber dem Gehäuse (144) eine entsprechende Schwenkbewegung der Einsetzsektion (145) des chirurgischen Instruments (142) gegenüber dem kleinen Einschnitt (180) bewirkt, eine Axialbewegung der äußeren Verbindung (150L2) der Steuerung (140) gegenüber der inneren Verbindung (150L1) ein entsprechendes Einsetzen und Zurückziehen der Einsetzsektion des chirurgischen Instruments gegenüber dem kleinen Einschnitt (180) bewirkt, eine Drehung der äußeren Verbindung (150L2) gegenüber der inneren Verbindung (150L1) eine entsprechende Drehung des distalen Endes der Einsetzsektion (145) des chirurgischen Instruments (142) bewirkt, und die Betätigung des Sensors (168) der Steuerung (140) die Betätigung des End-Wirkungsgliedes (170) des chirurgischen Instruments (142) bewirkt.
Chirurgisches System nach einem der vorhergehen Ansprüche, bei dem die Steuerung (140) mit dem chirurgischen Instrument (142) dadurch gekoppelt ist, dass der Servome chanismus (42) eine Servomechanismus-Skalierung in einer Weise verwendet, dass die Bewegung des distalen Endes der Steuerung (140) gegenüber dem Gehäuse (144) eine entsprechende und kleinere Bewegung der Einsetzsektion (145) des chirurgischen Instruments (142) gegenüber dem kleinen Einschnitt (180) bewirkt.
Chirurgisches System nach Anspruch 8, bei dem die Steuerung (140) dadurch mit dem chirurgischen Instrument (142) gekoppelt ist, dass der Servomechanismus (42) eine Servomechanismus-Skalierung in einer Weise verwendet, dass die Bewegung der äußeren Verbindung (150L2) der Steuerung (140) gegenüber dem Gehäuse (144) eine entsprechende und kleinere Bewegung des End-Wirkungsgliedes (170) des chirurgischen Instruments (142) gegenüber dem kleinen Einschnitt bewirkt.
Chirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerung (140) mit dem chirurgischen Instrument (142) durch einen Servomechanismus (42) gekoppelt ist, der eine Kraft-Rückmeldung (force feedback) umfasst.
Chirurgisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem der Kopf des chirurgischen Instruments ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Retraktoren, elektrochirurgischen Schneideinrichtungen, elektrochirurgischen Koagulatoren, Pinzetten, Nadelhaltern, Scheren, Klingen und Spritzen besteht.
Chirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer zweiten Steuerung (140), einem zweiten chirurgischen Instrument (142) und einem zweiten Servomechanismus (42), wie in den obigen Ansprüchen beschrieben, so angeordnet, dass eine Steuerung (140) durch die linke Hand eines Chirurgen und die andere Steuerung (140) gleichzeitig durch die rechte Hand eines Chirurgen betätigt werden kann.
Chirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die äußere Verbindung (150L2) mit der inneren Verbindung (150L1) durch ein oder mehrere Gelenke verbunden ist, welche es der äußeren Verbindung (150L2) gestatten, sich gegenüber der inneren Verbindung (150L1) zu drehen, zu erstrecken und zurückzuziehen.
Chirurgisches System nach einem der Ansprüche 5 bis 13, bei dem die Einsetzsektion (145) ferner eine Gelenkeinnchtung (172) und eine Gelenkeinrichtungsverbindung (172A) umfasst, wobei das distale Ende der Vorderarmverbindung (174) mit der Gelenkeinrichtungsverbindung (172) gekoppelt ist, wobei die Gelenkeinrichtung (172) ein proximales Ende hat, das mit der Gelenkeinrichtungsverbindung (172A) verbunden ist, und ein distales Ende, das mit dem End-Wirkungsglied (170) verbunden ist, wobei die Steuerung (140) so betätigt werden kann, dass sie die Gelenkeinnchtung (172) um die Gelenkeinrichtungsverbindung (172A) schwenkt, wobei die Steuerung (140) ferner eine Gelenkeinrichtungsverbindung (162) aufweist, die mit dem distalen Ende der äußeren Verbindung (150L2) und dem proximalen Ende der Endenverbindung (160) verbunden ist.
Chirurgisches System nach Anspruch 14, bei dem die Schwenkbewegung der Endenverbindung (160) um die Gelenkeiririchtungsverbindung (162) eine entsprechende Schwenkbewegung der Gelenkeinrichtung um die Gelenkeinrichtungsverbindung (172A) der Einsetzsektion (145) bewirkt.
Chirurgisches System nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Steuerung (140) mit dem chirurgischen Instrument (142) durch einen Servomechanismus (42) verbunden ist, der eine Servomechanismus-Skalierung verwendet, so dass die , Schwenkbewegung der Endverbindung (160) der Steuerung (140) um die Gelenkeinrichtungsverbindung (162) eine entsprechende und kleinere Schwenkbewegung der Gelenkeinrichtung (172) der Einsetzsektion (145) um die Gelenkeinrichtungsverbindung (172A) bewirkt.
Chirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Bilderfassungsvorrichtung (46) zur Aufnahme eines Echtzeitbildes der Behandlungsstelle, und mit einem Bilderzeuger (54) zur Erzeugung einer Anzeige des Echtzeitbildes, wobei die Anzeige im Wesentlichen koinzident mit der Steuerung (140) angeordnet ist.
Chirurgisches System nach Anspruch 17, bei dem die Bilderfassungsvorrichtung (46) eine optische Bahnlänge (L) mit einem Punkt (F) an der Behandlungsstelle definiert, und die Anzeige (54) so angeordnet ist, dass sie eine optische Bahnlänge (a + b) an der Steuerung (140) zwischen einem Punkt (F) auf der Anzeige und den Augen des Bedieners definiert, wobei die optische Bahnlänge (a + b) an der Behandlungsstelle wesentlich kleiner ist als die optische Bahnlänge (L) an der Steuerung (140), wobei das System ferner eine Bildskalierungseinrichtung aufweist, um das Echtzeitbild so zu skalieren, dass die optische Bahnlänge (L) gleich der optischen Bahnlänge (a + b) erscheint.
Chirurgisches System nach Anspruch 14, das ferner eine Bilderfassungsvorrichtung (46) zur Aufnahme eines Echtzeitbildes der Behandlungsstelle und einen Bildgenerator (54) aufweist, um eine Anzeige des Echtzeitbildes zu erzeugen, wobei die Bilderfassungsvorrichtung (46) in einem Abstand (G) von der Gelenkeinrichtungsverbindung (172A) des Instruments angeordnet ist, und die Augen des Bedieners in einem Abstand (g) von der Gelenkeinrichtungsverbindung (162) der Steuerung (140) angeordnet sind, wobei der Abstand (G) wesentlich kleiner ist als der Abstand (g), wobei das System ferner eine Bildskalierungseinrichtung umfasst, um das Echtzeitbild so zu skalieren, dass der Abstand (G) gleich dem Abstand (g) erscheint.
Chirurgisches System nach Anspruch 14, dass ferner eine Bilderfassungsvorrichtung (46) zur Aufnahme eines Echtzeitbildes der Behandlungsstelle und einen Bilderzeuger (54) aufweist, um eine Anzeige des Echtzeitbildes zu erzeugen, wobei die Steuerung (140) eine Länge (d) zwischen einer Gelenkeinrichtungsverbindung (162) um den Sensor (168) definiert und das Instrument eine Länge (D) zwischen der Gelenkeinrichtungsverbindung (172A) und dem End-Wirkungsglied (170) definiert, wobei die Länge (D) wesentlich kleiner ist als die Länge (d), wobei die Anzeige über den Sensor (168) hinaus positioniert ist, so dass das End-Wirkungsglied (170) so erscheint als wäre es distal zum Sensor (168) positioniert, und wobei das System ferner eine Bildskalierungseinrichtung zum Skalieren des Echtzeitbildes aufweist, so dass der Abstand (d) als der gleiche erscheint wie der Abstand (D).
Chirurgisches System nach Anspruch 17, bei dem die Bilderfassungsvorrichtung eine Videokamera zur Erzeugung eines vergrößerten Bildes der Behandlungsstelle umfasst, wobei die Videokamera eine Linsenbrennweite hat, die so ausgewählt wird, dass eine Lichtquelle von einem Punkt (X, Y, Z) an der Behandlungsstelle als eine entsprechende Lichtquelle an einem Punkt (MX, MY, MZ) in einer virtuellen Behandlungsstelle produziert wird.