CH695586A5

CH695586A5 - Device for simulating a rod-shaped surgical endoscopic instrument has a virtual trocar and a force feedback device with connecting pieces

Info

Publication number: CH695586A5
Application number: CH00573/02A
Authority: CH
Inventors: Michael Maier
Original assignee: Xitact Sa
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2006-06-30

Abstract

A force feedback device has first (8) and second (11) connecting pieces each linked to half a handgrip respectively and interconnected but detachable with a release device (18,21) so that the connecting pieces can easily slide (12,13) in relation to each other in a first control position but only slide in a second control position in relation to each other by applying force to the handgrip with a spring (15).

Description

CH 695 586 A5 CH 695 586 A5

Beschreibung description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals für ein längliches zu simulierendes Element, insbesondere ein endoskopisches chirurgisches Instrument, mit einer Hülse, in der eine Schubstange angeordnet ist. The invention relates to a device for generating a feedback signal for an elongated element to be simulated, in particular an endoscopic surgical instrument, with a sleeve in which a push rod is arranged.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene simulierte chirurgische Instrumente bekannt, die in der Endoskopie eingesetzt werden. Die meisten dieser Instrumente verfügen über einen Handgriff in Gestalt eines Scherenhandgriffs, mit denen der die Simulation ausführende Benutzer etwas klemmt, greift oder zerschneidet. Es ist hierbei bekannt, die eine Scherenhälfte gegen eine Federspannung zu bewegen, um bei der sich dabei ergebenden Schliessung der Scherenhälften dem Benutzer einen erhöhten Druck zu übermitteln. Various simulated surgical instruments are known from the prior art, which are used in endoscopy. Most of these instruments have a handle in the form of a scissors handle, with which the user performing the simulation clamps, grips or cuts something. It is known to move a scissor half against a spring tension in order to convey an increased pressure to the user in the resulting closure of the scissor halves.

[0003] Der Stand der Technik weist mehrere Nachteile auf, insbesondere, dass bei einem Durchtrennen eines simulierten Elementes die Bewegung nicht plötzlich frei wird. Ferner besteht keine Möglichkeit, zu simulieren, dass das simulierte Element gegen einen unnachgiebigen Widerstand stösst. The prior art has several drawbacks, in particular that when a simulated element is severed, the movement is not suddenly released. Furthermore, there is no way to simulate that the simulated element encounters an unyielding resistance.

[0004] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die ein besseres Rückkopplungsempfinden für einen Benutzer bietet. Based on this prior art, the invention is based on the object to provide a device of the type mentioned, which provides a better feedback sense for a user.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the invention with the features of claim 1.

[finnfi] Durch das Vorsehen einer Schubstangenbremse mit einer elektrisch betriebenen Spannzange kann zum einen eine ansteigende Rückkopplungskraft simuliert werden und weiterhin zu jedem Moment die Schubstange festgesetzt werden, um sie schliesslich im anderen Augenblick wieder vollständig zu lösen und somit frei bewegbar zu machen. [finnfi] By providing a push rod brake with an electrically operated collet on the one hand, an increasing feedback force can be simulated and continue to set the push rod at each moment to finally completely solve it at the other moment and thus to move freely.

[0007] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. Further advantageous embodiments are characterized in the dependent claims.

[0008] Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben. The invention will now be described by way of example with reference to the drawings by way of example closer.

[0009] Es zeigen: [0009]

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht in einer Explosionsdarstellung der Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 1 is a perspective view in an exploded view of the device according to an embodiment of the invention, and

Fig. 2 eine Querschnittansicht durch eine Vorrichtung nach Fig. 1. 2 shows a cross-sectional view through an apparatus according to FIG. 1.

[0010] Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung, bei der die einzelnen Elemente entlang der Längsachse 1 der Vorrichtung in einer Explosionsdarstellung angeordnet sind. Bei einer Simulation von länglichen chirurgischen Elementen wird häufig auf den Anwendungsfall in der Endoskopie oder der Behandlung durch Körperöffnungen abgestellt. Diese Elemente verfügen dann über einen rohrförmigen Aussenkörper, in dem die Vorrichtung geführt wird. Die Hülse 2 der Vorrichtung ist an diesem rohrförmigen Aussenkörper befestigt. Die Hülse 2 oder auch das Stützrohr wird an seinem einen Ende von einem Aussenkonus 3 begrenzt, der gegen den Mantel der Hülse 2 stösst. An dem gegenüberliegenden Ende der Hülse 2 ist ein zylindrischer Magnetkreis 4 in die Hülse 2 eingeschoben. Dabei kann zwischen der Hülse 2 und dem Magnetkreis 4 eine Gewindeverbindung bestehen oder die Elemente können in einem Presssitz miteinander verbunden sein. Fig. 1 shows a perspective view of the device according to an embodiment of the invention in a representation in which the individual elements along the longitudinal axis 1 of the device are arranged in an exploded view. In a simulation of elongated surgical elements is often focused on the application in endoscopy or treatment through body orifices. These elements then have a tubular outer body in which the device is guided. The sleeve 2 of the device is attached to this tubular outer body. The sleeve 2 or the support tube is bounded at its one end by an outer cone 3, which abuts against the jacket of the sleeve 2. At the opposite end of the sleeve 2, a cylindrical magnetic circuit 4 is inserted into the sleeve 2. In this case, between the sleeve 2 and the magnetic circuit 4 consist of a threaded connection or the elements may be connected to one another in a press fit.

[0011] Das ausgangsferne Ende 7 des Magnetkreises 4 stösst im Innern des Rohres 2 auf den Plunger 5. Die ringkreisförmige Fläche 6 des Plungers 5 ist sehr glatt und in einem sehr kleinen Abstand von wenigen Zehntel Millimetern gegenüber dem besagten Ende 7 des Kreises 4 angeordnet. Innerhalb des Magnetkreises 4 ist ein Anker 8 angeordnet, der passgenau eingesetzt ist. Der Anker 8 ist hohlzylindrisch und um eine zentrale Schubstange 10 herum angeordnet. Der Magnetkreis 4 und der Anker 8 sind gegenüber der Fläche 6 des Plungers 5 bündig angeordnet. Der Anker 8 weist an seinem Umfang eine Ausnehmung auf, in der eine Spule 9 angeordnet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt die Spule 9 über 970 Windungen. Die Windungsanzahl ist beispielhaft genannt und wird in Abhängigkeit von anderen den Elektromagneten definierenden Grössen wie Ausgestaltung des Ankers 8, elektrische Beschaltung des Magneten etc. gewählt. The output far end 7 of the magnetic circuit 4 abuts the inside of the tube 2 on the plunger 5. The annular surface 6 of the plunger 5 is very smooth and arranged at a very small distance of a few tenths of a millimeter relative to said end 7 of the circle 4 , Within the magnetic circuit 4, an armature 8 is arranged, which is inserted accurately. The armature 8 is hollow cylindrical and arranged around a central push rod 10 around. The magnetic circuit 4 and the armature 8 are arranged flush with respect to the surface 6 of the plunger 5. The armature 8 has at its periphery a recess in which a coil 9 is arranged. In the illustrated embodiment, the coil 9 has 970 turns. The number of turns is given by way of example and is chosen as a function of other variables defining the electromagnet, such as design of the armature 8, electrical wiring of the magnet, etc.

[0012] Im Innern des Rohres 2 ist ein einstückig mit diesem Rohr 2 verbundener Ansatz 11 vorgesehen, der einen Anschlag für eine Rückstellfeder 12 bildet, die auf der gegenüberliegenden Seite vom Magnetkreis 4 mit Anker 8 und Plunger 5 angeordnet ist. Natürlich kann das Rohr 2 auch mehrstückig sein oder das Rohr 2 wird durch das Rohr 2 hindurchtretende Fortsätze ausgestaltet. Die Feder 12 stützt sich auf der dem Anschlag 11 gegenüberliegenden Seite auf dem Zangenelement 13 ab. Das Zangenelement 13 verfügt über einen zylindrischen Abschnitt 14, auf dem in seinem Endbereich ein Gewinde 15 vorgesehen ist. Das Aussengewinde 15 greift in ein entsprechendes Innengewinde des Plungers 5 ein. An der dem Aussengewinde 15 gegenüberliegenden Seite des Zangenelementes 13 ist ein sich vergrössernder Konusbereich 16 vorgesehen, der komplementär zum Konus 3 ausgestaltet ist. In der Fig. 1 ist gut zu erkennen, dass der Konus 13 vier gleichartig zueinander beabstandete longitudinal verlaufende Schlitze 17 aufweist. Statt vier Schlitzen 17 können auch allgemein zwei, drei oder mehr Schlitze vorgesehen sein. In the interior of the tube 2, an integrally connected to this tube 2 approach 11 is provided which forms a stop for a return spring 12, which is arranged on the opposite side of the magnetic circuit 4 with armature 8 and plunger 5. Of course, the tube 2 may also be multi-piece or the tube 2 is configured by the tube 2 passing through extensions. The spring 12 is supported on the opposite side of the stop 11 on the pliers element 13. The pliers element 13 has a cylindrical section 14 on which a thread 15 is provided in its end region. The external thread 15 engages in a corresponding internal thread of the plunger 5 a. On the side of the forceps element 13 opposite the external thread 15, an enlarging conical region 16 is provided, which is designed to be complementary to the cone 3. It can be clearly seen in FIG. 1 that the cone 13 has four longitudinal slots 17 which are equally spaced from each other. Instead of four slots 17, generally two, three or more slots may be provided.

[0013] An den freien Enden von Rohr 2 und Konus 3 sind zwei Federn 22 und 23 vorgesehen, zwischen denen diese Baugruppe aufgehängt ist. Die Federn 22 und 23 sind dazu vorgesehen, die durch die Vorrichtung zur Erzeugung eines Rückkopplungssignales (Bremsbaugruppe) entstehenden Kräfte aufzunehmen und im Fall der blockierten Bremse eine elastische Wirkung auf den Handgriff auszuüben. Der hierbei mögliche Hub in der Schubstange beträgt bei der in dem Ausführungsbeispiel dargestellten Vorrichtung ungefähr 2,5 Millimeter. Dieser Hub kann über die Federhärte beliebig eingestellt werden. At the free ends of tube 2 and cone 3, two springs 22 and 23 are provided, between which this assembly is suspended. The springs 22 and 23 are designed to receive the forces generated by the device for generating a feedback signal (brake assembly) and to exert an elastic effect on the handle in the case of the locked brake. The case possible stroke in the push rod is approximately 2.5 millimeters in the apparatus shown in the embodiment. This stroke can be adjusted as desired via the spring hardness.

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[0014] Die Funktion der Vorrichtung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung. Bei einer freien Bewegung beispielsweise des Handgriffes des simulierten Instrumentes kann sich die Schubstange 10 innerhalb des Rohres 2 frei bewegen. Trifft das simulierte Instrument nun auf einen Widerstand, z. B. ein simuliertes Organ oder einen anderen simulieren Gegenstand wie ein Instrument, so darf sich die Schubstange 10 dann nicht mehr in dem Rohr 2 völlig frei bewegen. Dies wird dadurch erreicht, dass Strom über die Zuleitungsadern 19 in die Spule 9 geleitet wird, so dass in dem Rohr 2 ein Magnetfeld entsteht, wobei mit der Wirkung des durch die Spule 9 und den Anker 8 zusammen mit dem Magnetkreis 4 gebildeten Elektromagneten der Plunger 5 zu den Elementen 4 und 8 hin angezogen wird. Da der Plunger 5 mit dem Konus 13 über das Gewinde 15 verbunden ist, wird somit auch der Konus 16 in Richtung des Magnetkreises 4 und somit in das Rohr 2 hineingezogen. Da der Konus 16 dem komplementär ausgebildeten Konus 3 gegenüberliegt, die beide in ihrem Material inkompressibel sind, und der Konus 16 aber über die besagten Schlitze 17 verfügt, wird der innenzylindrische Bereich 25 des Elementes 13 bei der Bewegung desselben in Pfeilrichtung 26 auf die Oberfläche der Schubstange 10 gepresst. Mit einem steigenden in die Spule 9 fliessenden Strom erhöht sich die Anziehungskraft auf den Plunger 5 und somit wird der Konus 16 des Elementes 13 immer weiter in den komplementären Konus 3 hineingezogen, wobei sich der Druck der Oberfläche 25 auf die Schubstange 10 ständig vergrössert, bis bei einem maximalen Strom die relative Bewegung der Schubstange endet und diese sich relativ zu dem Rohr 2 nicht mehr bewegt. Bei einem Lösen des Handgriffs wird der in die Spule 9 fliessende Strom abgestellt und somit die Anziehungskraft des Elektromagneten auf den Plunger 5 beendet. Dabei gewährleistet die Feder 12, dass der Konus 13 sich aus dem Eingriff mit dem gegenüberliegenden Konus 3 löst und somit auch die auf die Oberfläche 25 wirkende Kraft endet. The function of the device will become apparent from the following description. In a free movement, for example, the handle of the simulated instrument, the push rod 10 can move freely within the tube 2. If the simulated instrument now encounters a resistance, eg. As a simulated organ or another simulate object such as an instrument, then the push rod 10 may then no longer move freely in the tube 2. This is achieved in that current is conducted via the supply wires 19 in the coil 9, so that in the tube 2, a magnetic field is formed, with the action of the solenoid 9 formed by the coil 9 and the armature 8 together with the magnetic circuit of the plunger 5 is attracted to the elements 4 and 8 out. Since the plunger 5 is connected to the cone 13 via the thread 15, the cone 16 is thus drawn in the direction of the magnetic circuit 4 and thus into the tube 2. Since the cone 16 is opposite to the complementarily shaped cone 3, both of which are incompressible in their material, and the cone 16 but has said slots 17, the inner cylindrical portion 25 of the element 13 in the movement of the same in the direction of arrow 26 on the surface of the Push rod 10 pressed. With a rising current flowing in the coil 9, the attraction force on the plunger 5 increases and thus the cone 16 of the element 13 is pulled further and further into the complementary cone 3, whereby the pressure of the surface 25 on the push rod 10 constantly increases until at a maximum current, the relative movement of the push rod ends and this no longer moves relative to the tube 2. Upon release of the handle, the current flowing into the coil 9 is turned off and thus terminates the attraction of the electromagnet on the plunger 5. In this case, the spring 12 ensures that the cone 13 is released from engagement with the opposite cone 3 and thus the force acting on the surface 25 ends.

[0015] Die Koni 13~ünd 16 weisen exakt die gleiche Steigurïg~aûfrDiese kann zwischen wenigen Grad und beispielswei-se maximal 45 Grad liegen. Beim Zusammenbau der Vorrichtung wird darauf geachtet, dass der Abstand zwischen dem Magnetkreis 4 und dem Plunger 5 entsprechend eingestellt wird, um nicht einerseits ein sofortiges Anhaften des Plungers 5 an dem Magnetkreis 4 zu erhalten, und um nicht andererseits eine zu schwache magnetische Kopplung bei zu grossem Abstand zwischen dem Magnetkreis 4 und dem Plunger 5 zu haben. In der Ruhestellung darf die Oberfläche 25 nur auf der Schubstange 10 anliegen und sich eine Presswirkung erst bei einer Longitudinalbewegung des Konus 13 in dem Konus 3 in Richtung des Pfeiles 26 ergeben. The cones 13 and 16 have exactly the same slope. This may be between a few degrees and, for example, a maximum of 45 degrees. When assembling the device, care is taken that the distance between the magnetic circuit 4 and the plunger 5 is adjusted accordingly so as not to cause immediate adhesion of the plunger 5 to the magnetic circuit 4, and not to impede too weak magnetic coupling to have a large distance between the magnetic circuit 4 and the plunger 5. In the rest position, the surface 25 may rest only on the push rod 10 and a pressing effect only result in a longitudinal movement of the cone 13 in the cone 3 in the direction of the arrow 26.

[0016] Wesentlich ist, dass in Abhängigkeit von dem in den Elektromagneten 4, 8, 9 eingeleiteten Strom das Rückkopplungssignal mehr oder weniger stark ausgestaltet sein kann und im Extremfall sogar unvermittelt zwischen der starren Kopplung von Schubstange 10 und Hülse 2 und der freien Bewegung der Schubstange 10 in der Hülse 2 umschaltet. It is essential that, depending on the current introduced into the electromagnets 4, 8, 9, the feedback signal can be designed more or less strong and in the extreme case even between the rigid coupling of push rod 10 and sleeve 2 and the free movement of the Push rod 10 switches in the sleeve 2.

[0017] Natürlich können bei weiteren in den Figuren nicht dargestellten anderen Ausführungsbeispiele Änderungen und Modifikationen vorgenommen worden seien, die aber nicht aus dem Rahmen der Erfindung herausführen. Wesentlich ist das Klemmen der Schubstange 10 durch zwei komplementäre Koni 16 und 3 durch die elektromagnetische Wirkung eines mit einem Konus 16 oder 3 in Wirkverbindung stehenden Plungers 5 eines Elektromagneten. Of course, in other not shown in the figures, other embodiments, changes and modifications have been made, but do not lead out of the scope of the invention. What is essential is the clamping of the push rod 10 by two complementary Koni 16 and 3 by the electromagnetic effect of a standing with a cone 16 or 3 in operative connection Plunger 5 of an electromagnet.

Claims

claims

1. A device for generating a feedback signal for an elongated element to be simulated, in particular an endoscopic surgical instrument, with a sleeve (2) in which a push rod (10) symmetrically about the longitudinal axis (1) of the sleeve (2) is arranged, characterized in that in the sleeve (2) an electromagnet (4, 8, 9) connected thereto is arranged, that in the sleeve (2) relative to the electromagnet (4, 8, 9) movable in the direction of the longitudinal axis (1) , metallic plunger (5) is provided, which can be attracted by the action of the electromagnet (4, 8, 9) of this, that on the opposite with respect to the electromagnet (4, 8, 9) side of the sleeve (2) a cone (3) tapering in the direction of the interior of the sleeve is provided, and in that the plunger (5) is in operative connection with a cone (16) which is complementary to the said cone (3) and has its surface opposite the push rod (10) (25) i n is a frictional connection with this.

2. Device according to claim 1, characterized in that the complementary cone (16) has at least two, preferably three or more, longitudinal slots (17).

3. Device according to claim 1 or claim 2, characterized in that in the sleeve (2) projecting into the interior of a projection (11) is provided, which serves as a stop for a return spring (12), wherein as an opposite stop the complementary Cone (16) exists.

4. The device according to claim 3, characterized in that the complementary cone (16) has a about the push rod (10) arranged hollow cylindrical portion (14), on whose konusfernem end a thread (15) is provided, in which a complementary thread engages the plunger (5).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnet via a magnetic circuit (4), an inner armature (8) and between a magnetic circuit (4) and armature (8) provided coil (9), wherein the opposite radial surfaces (7) arranged flush with each other on the plunger (5), and in that the opposite surface (6) of the plunger (5) is arranged radially and parallel to the said surfaces (7) of the electromagnets (4, 8, 9).

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that on both sides of the sleeve, a spring (22, 23) is provided, with which the device when fixing the same on the push rod (10) is resiliently movable.

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