Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation eines stabförmigen virtuellen chirurgischen Instrumentes, insbesondere für die Simulation eines endoskopischen Instrumentes, mit einem ortsfesten Gestell, mit einem Handgriff des Instrumentes, mit mindestens zwei Antriebsblöcken für eine Kraftrückkopplung, mit einem virtuellen Trokar und mit mindestens einem Kraftsensor, wobei der Handgriff über den virtuellen Trokar, über die Antriebsblöcke und über den Kraftsensor mit dem Gestell verbunden ist.
Bei Vorrichtungen zum Einsatz bei der Simulation von Operationen, insbesondere endoskopischen Eingriffen, werden mehrere Antriebsblöcke eingesetzt. Diese sind in einer Weise angesteuert, um eine Übertragung von simulierten Kräften zu gestatten. Die auf die Vorrichtung einwirkenden Kräfte werden jeweils durch einen Kraftsensor erfasst. Aus dem Stand der Technik ist es für eine solche Vorrichtung bekannt, einen Kraftsensor am unteren Ende des Instrumentes wie in der Fig. 1 angedeutet anzuordnen. Unter Kraftsensor ist jede Kombination von Kraftsensoren zu verstehen, die die einwirkenden Kräfte für eine Reihe von Freiheitsgraden erfassen können.
Die Anordnung nach dem Stand der Technik hat den Vorteil, dass durch das Rohr des Instrumentes übertragende Kräfte direkt erfasst werden und keine Verzögerungen durch zwischengeschaltete Mechanik und Aktuatoren auftreten. Weiterhin ist von Vorteil, im Gegensatz zu einer Anordnung des Kraftsensors am oberen Ende des Rohrs des Instrumentes, dass der Kraftsensor nicht in einem Bereich angeordnet ist, der bei der Simulation oberhalb der Bauchdecke eines simulierten Patienten liegt und somit die Simulation des Bereiches um den durch die Bauchdecke einzuführenden Trokar beeinträchtigen würde.
Nachteilig ist allerdings, wie aus der Fig. 1 hervorgeht, dass der Sensor ein gewisses Volumen an einem Ort benötigt, an dem sich das simulierte Instrument befindet. Dies fällt weniger ins Gewicht, wenn es sich um eine Simulation eines einzelnen Instrumentes handelt, bei dem zudem die endoskopische Kamera vollständig virtuell und nicht vom Operateur manipulierbar ist. In dem bevorzugten Falle, dass mehrere Instrumente, z.B. insgesamt drei plus eine Kamera in dem simulierten Bauchraum eingeführt sind, gestattet es der Sensor nach dem Stand der Technik nicht, dass sich die Spitzen der Instrumente nahe kommen, da dies durch den von den Kraftsensoren eingenommenen Raum verunmöglicht wird.
In der Simulation der Instrumente erwartet der Operateur aber, dass sich die Zangen, Schneiden und Scherenspitzen verschiedener Instrumente auf geringste Abstände annähern können und dass auch ein Kreuzen der Instrumente möglich ist.
Ein anderes System zur Kraftrückkopplung ist beispielsweise aus der US 6 104 158 bekannt, welches einen Roboterarm mit mehreren Freiheitsgraden darstellt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass auch mehrere simulierte Instrumente in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sein können, ohne sich gegenseitig zu behindern, um so die Qualität der Simulation für den Operateur zu erhöhen. Des Weiteren ist es ein Ziel der Erfindung, die Erfassung von quer wirkenden Kräften, bei Verkippungen des Instrumentes, besser zu erfassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens ein Kraftsensor zwischen einem ersten, mit dem Handgriff verbundenen Antriebsblock und einem zweiten, mit dem Gestell starr verbundenen Antriebsblock angeordnet ist.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Instrumentes mit der Anordnung eines Kraftsensors nach dem Stand der Technik, und Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Instrumentes mit einer erfindungsgemässen Anordnung eines Kraftsensors.
Die Fig. 1 zeigt sehr schematisch einen Querschnitt eines Instrumentes 1 nach dem Stand der Technik mit einem Sensor 2. Das Instrument 1 verfügt über einen Handgriff 3, bei dem es sich beispielsweise um einen Scherengriff handeln kann. Dieser Handgriff 3 ist mit einem Rohr 4 starr verbunden, welches in einem Aussenrohr 5 axial entlang der Längsachse 6 des Instrumentes 1 verschieblich ist. Der Handgriff 3 kann noch über in den Zeichnungen nicht dargestellte Sensoren verfügen, die beispielsweise ein Öffnen des Handgriffs 3 erfassen.
Das Aussenrohr 5 ist in einem ersten Motorblock 13 angeordnet. Der Motorblock 13 verfügt über hier nicht dargestellte Antriebe, mit denen das Aussenrohr 5 gegenüber dem Motorblock 13 in Richtung der Längsachse 6 verschoben werden kann und mit denen das Aussenrohr 5 gegenüber dem Motorblock 13 um die Längsachse 6 verdreht werden kann. Beim Stand der Technik ist der Motorblock 13 starr mit einer Aufhängung 14 verbunden. Die Aufhängung 14 kann eine kardanische Aufhängung oder eine sonstige vorzugsweise mehrachsige Aufhängung sein, mit der ein Verschwenken des Instrumentes 1 um den Einführpunkt (virtueller Trokar) in der simulierten Bauchdecke mit einfachen Mitteln nachgebildet wird. Diese Aufhängung 14 ist dann in einer in den Fig. nicht gezeigten Weise an dem ortsfesten Grundgestell des Instrumentes 1 befestigt.
In der schematischen Darstellung der Zeichnungen ist die Aufhängung 14 gegenüber dem Grundgestell und somit gegenüber der Zeichenebene beweglich angeordnet. Eine solche Aufhängung kann insbesondere eine um einen virtuellen Drehpunkt verschwenkbare Aufhängung sein, welcher ausserhalb der mechanischen Struktur liegt.
Das distale Ende 7 des Instrumentes 1 trägt beim realen Instrument den Funktionsteil desselben, z.B. eine Zange, eine Schere, ein Messer, eine Kamera oder Ähnliches. Bei der hier dargestellten Vorrichtung zum Einsatz bei der Simulation von Operationen ist an diesem unteren Ende 7 ein Kraftsensor 2 angeordnet. In der Fig. 1 ist zu erkennen, dass der Kraftsensor 2 mit seinem unteren Abschnitt 8 fest mit dem distalen Ende des Rohres 4 verbunden ist. Der obere Abschnitt 9 ist dagegen mit dem Aussenrohr 5 starr verbunden. Der obere Abschnitt 9 umfasst Übergangselemente 10, die sich unter Belastung verformen, womit dabei über auf ihnen angebrachte Dehnungsmessstreifen Messdaten der Verformung erfassbar sind, aus denen resultierend Kraftvektordaten ermittelbar sind.
Dabei sind insbesondere drei vom Operateur auf den Handgriff 3 aufgebrachte Bewegungen interessant: - ein Bewegen des Instrumentes 1 in Richtung der Längsachse 6, was zu einer differentiellen Translationsbewegung der beiden Rohre 4 und 5 ineinander führt, - ein Verdrehen des Instrumentes 1 um die besagte Längsachse 6, was zu einer differentiellen Verdrehung der beiden Rohre 4 und 5 gegeneinander führt, und - ein Verkippen des Instrumentes 1 um den Einführpunkt des virtuellen Trokars in die Bauchdecke des simulierten Patienten.
Die beiden zuerst genannten Bewegungen, Längsbewegung und Drehbewegung, sind mit der Vorrichtung nach dem Stand der Technik einfach erfassbar. Zur Ermittlung der wirkenden Kräfte bei der dritten Bewegung ist von Nachteil, dass ein langer Hebelarm auftritt. Dieser ist aber - wie oben angeführt - nicht durch Anordnung des Kraftsensors 2 in Handgriffnähe behebbar, da dann der Sensor 2 oberhalb des Einführpunktes des Instrumentes in die simulierte Bauchdecke und somit realitätsfremd oberhalb dieser simulierten Bauchdecke im Blickfeldbereich des Operateurs wäre.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Instrumentes 1 mit einer erfindungsgemässen Anordnung eines Kraftsensors 12. Gleiche Merkmale sind in beiden Fig. jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. In einer einfachen Abänderung der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Fig. 1 ist das Rohr 4 weiterhin im Aussenrohr 5 geführt, nur sind Rohr 4 und Aussenrohr 5 mit einem Abschlussstück 17 fest verbunden. Bei einer alternativen - nicht dargestellten - Ausgestaltung ist der Handgriff 3 mit dem Rohr 5 integriert, so dass das distale Ende 7 fast vollständig abgeschnitten (gekürzt) sein kann.
Die Länge des über den Motorblock 13 auf der vom (voll eingeschobenen) Handgriff wegweisenden Seite hinaus stehenden Endes muss dann nur so gross sein, dass das maximale Vorschieben und Zurückziehen eines Handgriffes 3 eines Instrumentes simuliert werden kann, d.h. diesem Hub entsprechen.
Der Kraftsensor 12 ist somit bei der erfindungsgemässen Ausgestaltung nach Fig. 2 zwischen den zwei Motoreinheiten angeordnet, auf der einen Seite der Motorblock 13, mit dem die Kraftrückkopplung für die Translation und Rotation des Handgriffs 3 angetrieben wird, und auf der anderen Seite der Antrieb der wei teren Aufhängung 14, mit dem die Kraftrückkopplung für die Neigung des Instrumentes und das Verschwenken um den Einführpunkt in der simulierten Bauchdecke angetrieben wird. Durch die Anordnung des Sensors 12 zwischen den Antriebsblöcken ist es erforderlich, eine Kompensation der Sensorkoordinaten auf Grund der Geometrie und auf Grund der Dynamik durchzuführen. Dabei sind die Gewichtsverhältnisse zu berücksichtigen.
Durch die Anordnung des Sensors 12 zwischen den Antriebsblöcken 13 und 14 kann Masse und Volumen aus dem Bereich von Handgriff und Hubrohr 5 entfernt werden, so dass verschiedene Vorrichtungen 1 nahe aneinander geschoben werden können. Ein körperliches Berühren der einzelnen Instrumente 1 kann dann sicher ausgeschlossen werden. Somit verbessert sich die Qualität der Simulation. Des Weiteren werden durch den höher und damit näher am Verschwenkpunkt des virtuellen Trokars angeordneten Kraftsensor Querkräfte besser erfasst. Entgegen dem Vorbehalt aus dem Stand der Technik sind auch Längskräfte und Rotationskräfte für entlang und um die Längsachse 6 ausgeführte Bewegungen mit diesem zwischen den Antriebsblöcken 13 und 14 angeordneten Kraftsensor 12 qualitativ gut erfassbar.
The invention relates to a device for simulating a rod-shaped virtual surgical instrument, in particular for the simulation of an endoscopic instrument, with a fixed frame, with a handle of the instrument, with at least two drive blocks for a force feedback, with a virtual trocar and with at least one force sensor, wherein the handle is connected to the frame via the virtual trocar, via the drive blocks and via the force sensor.
In devices for use in the simulation of operations, in particular endoscopic procedures, multiple drive blocks are used. These are driven in a manner to allow transmission of simulated forces. The forces acting on the device are each detected by a force sensor. From the prior art it is known for such a device to arrange a force sensor at the lower end of the instrument as indicated in FIG. 1. Force sensor is any combination of force sensors that can detect the forces acting for a number of degrees of freedom.
The arrangement according to the prior art has the advantage that transmitted through the pipe of the instrument forces are detected directly and no delays occur through interposed mechanism and actuators. Furthermore, it is advantageous, in contrast to an arrangement of the force sensor at the upper end of the tube of the instrument, that the force sensor is not located in an area that lies in the simulation above the abdominal wall of a simulated patient and thus the simulation of the area around the would affect the abdominal wall trochar to be inserted.
A disadvantage, however, as is apparent from Fig. 1 that the sensor requires a certain volume at a location where the simulated instrument is located. This is less important when it is a simulation of a single instrument, in which also the endoscopic camera is completely virtual and not manipulated by the surgeon. In the preferred case that multiple instruments, e.g. a total of three plus one camera are inserted in the simulated abdominal cavity, the prior art sensor does not allow the tips of the instruments to approach each other, as this is made impossible by the space occupied by the force sensors.
In the simulation of the instruments, however, the surgeon expects that the pliers, cutting edges and scissors tips of different instruments can approach each other at very short distances and that it is also possible to cross the instruments.
Another system for force feedback is known for example from US 6 104 158, which represents a robot arm with multiple degrees of freedom.
Based on this prior art, the present invention seeks to improve a device of the type mentioned so that several simulated instruments can be arranged in close proximity to each other, without hindering each other, so the quality of the simulation for the Surgeon to increase. Furthermore, it is an object of the invention to better detect the detection of transversely acting forces, with tilting of the instrument.
This object is achieved according to the invention in that at least one force sensor is arranged between a first drive block connected to the handle and a second drive block rigidly connected to the frame.
An embodiment of the invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
1 shows a schematic cross-sectional view of an instrument with the arrangement of a force sensor according to the prior art, and FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an instrument with an inventive arrangement of a force sensor.
Fig. 1 shows very schematically a cross section of an instrument 1 according to the prior art with a sensor 2. The instrument 1 has a handle 3, which may be, for example, a scissor handle. This handle 3 is rigidly connected to a tube 4, which is displaceable axially in an outer tube 5 along the longitudinal axis 6 of the instrument 1. The handle 3 may still have sensors, not shown in the drawings, which detect, for example, an opening of the handle 3.
The outer tube 5 is arranged in a first engine block 13. The engine block 13 has not shown here drives, with which the outer tube 5 can be moved relative to the engine block 13 in the direction of the longitudinal axis 6 and with which the outer tube 5 can be rotated relative to the engine block 13 about the longitudinal axis 6. In the prior art, the engine block 13 is rigidly connected to a suspension 14. The suspension 14 may be a gimbal or other preferably multi-axis suspension, with a pivoting of the instrument 1 is simulated around the insertion point (virtual trocar) in the simulated abdominal wall by simple means. This suspension 14 is then attached to the fixed base frame of the instrument 1 in a manner not shown in the figures.
In the schematic representation of the drawings, the suspension 14 is arranged movable relative to the base frame and thus with respect to the plane of the drawing. Such a suspension may in particular be a suspension which can be pivoted about a virtual pivot point and which lies outside the mechanical structure.
The distal end 7 of the instrument 1 carries the functional part of the same, e.g. pliers, scissors, a knife, a camera or something similar. In the apparatus shown here for use in the simulation of operations, a force sensor 2 is arranged at this lower end 7. In FIG. 1 it can be seen that the force sensor 2 with its lower section 8 is firmly connected to the distal end of the tube 4. The upper portion 9, however, is rigidly connected to the outer tube 5. The upper section 9 comprises transition elements 10 which deform under load, whereby measurement data of the deformation can be detected by means of strain gauges mounted thereon, from which force vector data can be determined as a result.
In particular, three applied by the surgeon on the handle 3 movements are interesting: - moving the instrument 1 in the direction of the longitudinal axis 6, resulting in a differential translational movement of the two tubes 4 and 5 into each other, - a rotation of the instrument 1 about said longitudinal axis 6, which leads to a differential rotation of the two tubes 4 and 5 against each other, and - a tilting of the instrument 1 to the insertion point of the virtual trocar into the abdominal wall of the simulated patient.
The two first-mentioned movements, longitudinal movement and rotational movement, are easily detectable with the device according to the prior art. To determine the forces acting on the third movement is disadvantageous that a long lever arm occurs. However, as stated above, this can not be remedied by arranging the force sensor 2 close to the handle, since then the sensor 2 would be above the insertion point of the instrument into the simulated abdominal wall and thus unrealistic above this simulated abdominal wall in the field of view of the surgeon.
2 shows a schematic cross-sectional view of an instrument 1 with an inventive arrangement of a force sensor 12. The same features are provided in both figures with the same reference numerals. In a simple modification of the embodiment of the device according to FIG. 1, the tube 4 is still guided in the outer tube 5, only tube 4 and outer tube 5 are fixedly connected to a cap 17. In an alternative embodiment - not shown - the handle 3 is integrated with the tube 5, so that the distal end 7 can be almost completely cut off (shortened).
The length of the end projecting beyond the engine block 13 on the side facing away from the (fully inserted) handle then only has to be so large that the maximum advancement and retraction of a handle 3 of an instrument can be simulated, i. correspond to this stroke.
The force sensor 12 is thus arranged in the inventive embodiment of FIG. 2 between the two motor units, on one side of the engine block 13, with which the force feedback for the translation and rotation of the handle 3 is driven, and on the other side of the drive Another suspension 14, with which the force feedback for the inclination of the instrument and the pivoting about the insertion point in the simulated abdominal wall is driven. The arrangement of the sensor 12 between the drive blocks, it is necessary to perform a compensation of the sensor coordinates due to the geometry and due to the dynamics. The weight ratios are to be considered.
The arrangement of the sensor 12 between the drive blocks 13 and 14 mass and volume can be removed from the range of handle and lifting tube 5, so that various devices 1 can be pushed close to each other. A physical touch of the individual instruments 1 can then be safely excluded. This improves the quality of the simulation. Furthermore, lateral forces are better detected by the force sensor arranged higher and thus closer to the pivoting point of the virtual trocar. Contrary to the proviso from the prior art, longitudinal forces and rotational forces for movements along and around the longitudinal axis 6 can also be detected with high quality with this force sensor 12 arranged between the drive blocks 13 and 14.