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DE10025285A1 - Vollautomatische, robotergestützte Kameraführung unter Verwendung von Positionssensoren für laparoskopische Eingriffe - Google Patents

Vollautomatische, robotergestützte Kameraführung unter Verwendung von Positionssensoren für laparoskopische Eingriffe

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DE10025285A1
DE10025285A1 DE10025285A DE10025285A DE10025285A1 DE 10025285 A1 DE10025285 A1 DE 10025285A1 DE 10025285 A DE10025285 A DE 10025285A DE 10025285 A DE10025285 A DE 10025285A DE 10025285 A1 DE10025285 A1 DE 10025285A1
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Germany
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laparoscope
surgical instrument
surgical
position sensors
interventions
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Norbert Rahn
Johannes Bieger
Rainer Graumann
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Siemens Corp
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Publication date
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Abstract

Vollautomatische, robotergestützte Kameraführung unter Verwendung von Positionssensoren für laparoskopische Eingriffe. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Operationssystem zum Durchführen von operativen Eingriffen, mit einem an einem Roboterarm (10) angebrachten Laparoskop (5) zum Visualisieren der Eingriffe, und einem chirurgischen Instrument (6) zum Durchführen der Eingriffe. Dabei wird das Laparoskop (5) automatisch mit Hilfe der durch Positionssensoren (7) detektierten Positionen des Laparoskops (5) und des chirurgischen Instruments (6) durch einen Roboterarm (10) nachgeführt, so dass sich das chirurgische Instrument (6) immer im Blickfeld des Laparoskops (5) befindet. DOLLAR A Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein in diesem Operationssystem angewendetes Verfahren zum Durchführen von operativen Eingriffen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Operationssystem zum Durchführen von operativen Eingriffen, wie es im Oberbegriff des beigefügten Anspruches 1 beschrieben ist, und ein Verfah­ ren zum Durchführen von operativen Eingriffen, wie es im Oberbegriff des beigefügten Anspruches 7 beschrieben ist.
Die minimalinvasive Chirurgie gewinnt als Alternative zu ei­ nem offenen chirurgischen Eingriff immer mehr an Bedeutung. Bei diesen Eingriffen handelt es sich um Operationsmethoden, bei denen Operationen mit möglichst kleinen Operationswunden durchgeführt werden.
In bestimmten Bereichen dieser minimalinvasiven Chirurgie, z. B. bei laparoskopischen Eingriffen, bei denen Instrumente durch kleine Eintrittsöffnungen in den Bauchraum des Patien­ ten eingebracht und dort durch einen Chirurgen geführt und operativ eingesetzt werden, ergibt sich die Notwendigkeit, die Instrumente mit einer zusätzlich in den Bauchraum einge­ brachten Kamera (Laparoskop) auf einem externen Bildschirm zu visualisieren. Diese Operationstechnik wird heute z. B. bei der Resektion der Gallenblase routinemäßig eingesetzt. Der Chirurg kontrolliert dabei die Bewegung der Instrumente nur über den Bildschirm.
Beim Stand der Technik wird während des Eingriffes die Kamera durch einen Operations(OP)-Assistenten, der dem Chirurgen be­ hilflich ist, geführt. Durch die manuelle Kameraführung er­ geben sich jedoch, neben des zusätzlichen Personalbedarfes und der dadurch entstehenden Kosten, folgende Probleme:
Der Chirurg und der kameraführende Assistent müssen während der Operation auf engstem Raum und in engster Absprache zusammenarbeiten. Der Assistent muss oft sehr vorausschauend arbeiten, da er mit der Kamera nicht nur die aktuelle Posi­ tion von den Instrumenten erfassen, sondern auch die geplante Instrumentenführung des Chirurgen unterstützen muss.
Bei nachlassender Aufmerksamkeit und Ermüdung des Assisten­ ten, insbesondere bei lang andauernden Operationsprozeduren, wird die Kameraführung unpräzise und unruhig. Weiterhin müs­ sen die vom Chirurgen an den kameraführenden OP-Assistenten gegebenen Instruktionen sehr präzise sein. Diese Instruk­ tionen können manchmal missinterpretiert werden.
Außerdem erfordert die Kameraführung im allgemeinen keine hochqualifizierte Ausbildung, so dass Operationsassistenten diese Aufgabe nicht allzu gerne wahrnehmen.
Ein Lösungsansatz, die geschilderten Probleme zu minimieren, besteht darin, die Kamera mit Instrumentenhalterungen zu fixieren. Dabei entfällt allerdings nicht die Nachführung der Kamera durch einen OP-Assistenten während der Operation.
Auch ist der Einsatz eines Roboters, mit dessen Hilfe das Laparoskop interaktiv durch den Chirurgen gesteuert und be­ wegt wird, bekannt. Jedoch muss sich der Chirurg bei diesem Verfahren zusätzlich auf die Steuerung der Kamera konzen­ trieren.
Ein weiterer Lösungsansatz wird in dem Dokument US 5 820 545 "Method of Tracking a Surgical Instrument with a Mono or Ste­ reo Laparoscope" beschrieben. Dabei werden die in den Körper eingeführten chirurgischen Instrumente mit farbcodierten Markierungen versehen. Diese Markierungen werden von der in den Körper eingeführten Kamera detektiert, wobei die Kamera (Laparoskop) mit Hilfe eines Roboters so positioniert wird, dass sich die bei der Operation geführten chirurgischen In­ strumente stets im Blickfeld der Kamera befinden. Soll jedoch auch der Abstand der chirurgischen Instrumente von der eingeführten Kamera durch den Roboter geregelt werden, ist der Einsatz einer Stereokamera bzw. eines Stereo-Laparoskops, d. h. einer Kamera mit zwei optischen Einrichtungen, notwen­ dig.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass sich die In­ strumente zur Nachführung der Kamera stets im Blickfeld der Kamera befinden müssen, da die Kamera sonst die Position der Instrumente verliert. Außerdem kann die Nachführung der Kamera durch Verunreinigungen (beispielsweise durch Blut) der Farbmarkierungen beeinträchtigt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, ein Opera­ tionssystem zum Durchführen von operativen Eingriffen gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruches 1 und ein in die­ sem Operationssystem angewendetes Verfahren zum Durchführen von operativen Eingriffen gemäß dem Oberbegriff des beigefüg­ ten Anspruches 7 bereitzustellen, bei denen eine genaue auto­ matische Positionierung des Laparoskops durch einen Roboter ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Operationssystem zum Durchführen von operativen Eingriffen gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und ein in diesem Operationssystem angewendetes Verfahren zum Durchführen von operativen Eingriffen gemäß dem beigefügten Anspruch 7 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das in den Körper ein­ geführte Laparoskop vollautomatisch durch einen Roboter, der seine Befehle von einem Steuerrechner erhält, gesteuert bzw. nachgeführt. Die Nachführung des Laparoskops erfolgt aufgrund der ermittelten Positionen des chirurgischen Instruments, so dass sich das chirurgische Instrument stets im Blickfeld des Laparoskops befindet.
Zum einen entfällt bei der erfindungsgemäßen, automatischen Kameraführung die manuelle Kameraführung durch einen Assistenten mit den beschriebenen Nachteilen. Zum anderen kann sich der Chirurg voll auf seine eigentliche Aufgabe, d. h. das Führen der chirurgischen Instrumente, konzentrieren.
Bei dem verwendeten Navigationssystem mit den an dem Lapa­ roskop und dem chirurgischen Instrument angebrachten Sensoren kann es sich um kommerziell erhältliche optische (z. B. Pola­ ris-System der Fa. Northern Digital), elektromagnetische (z. B. elektromagnetisches Bird-System der Fa. Ascension) oder auf Schallwellen basierende Systeme handeln.
Beim Einsatz von optischen System ist darauf zu achten, dass die Positionssensoren extrakorporal angebracht sind, d. h. dass sich die Positionssensoren während des operativen Ein­ griffes außerhalb des Körpers befinden müssen, um eine opti­ sche Verbindung zu einem Sender bzw. untereinander zu ermög­ lichen.
Bei den elektromagnetischen und den Schall-basierten Systemen können die Positionssensoren sowohl extrakorporal als auch an der Spitze bzw. in der Nähe der Spitze des Laparoskops bzw. des chirurgischen Instruments angebracht sein.
Bei der extrakorporalen Befestigung können lediglich starre Instrumente verwendet werden, bei denen durch eine Kalibrie­ rung die empfangenen Koordinaten der extrakorporal angebrach­ ten Sensoren auf die Instrumentenspitze umgerechnet werden.
Bei der Befestigung der Positionssensoren an der Spitze bzw. in der Nähe der Spitze des Laparoskops bzw. chirurgischen Instruments werden die Positionssensoren beim Eingriff mit in den Körper eingeführt. Das hat den Vorteil, dass auch fle­ xible Instrumente eingesetzt werden können. Jedoch beanspru­ chen diese Instrumente mit Positionssensoren auch mehr Raum im Körper.
Die vorliegende Erfindung findet bevorzugt bei minimalinva­ siven, laparoskopischen Eingriffen Anwendung.
Bei dem Roboter, der die Kamera führt, kann beispielsweise ein Roboter der Fa. Computer-Motion, Goleta, Kalifornien, USA eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines be­ vorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die beige­ fügte Figur näher erläutert, in der die einzige Fig. 1 sche­ matisch ein erfindungsgemäßes Operationssystem zeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird die Kamera bzw. das Lapar­ roskop 5 in den Körper des Patienten, in der Fig. 1 bei­ spielsweise im Bereich des Oberbauchs, eingeführt und mit Hilfe des Roboters 4 durch einen Roboterarm 10 bewegt - das Laparoskop 5 ist dabei über eine Instrumentenhalterung 8 mit dem Roboterarm 10 fixiert.
Das Laparoskop 5 sowie ein oder mehrere chirurgische Instru­ mente 6 sind mit Positionssensoren 7 versehen, die Orientie­ rungsinformationen erzeugen, mit deren Hilfe in dem Naviga­ tionssystem 3 die Positionen des Laparoskops 5 und des chi­ rurgischen Instruments 6 berechnet und an einen Steuerrechner 1 weitergegeben werden. Die Positionserfassung und -be­ rechnung kann dabei kontinuierlich oder in Intervallen erfol­ gen.
Im Beispiel von Fig. 1 wird von einem elektromagnetischen Navigationssystem ausgegangen, bei dem von einem Emitter 2, der über eine Schnittstelle 12 mit dem Navigationssystem 3 bzw. einer Zentraleinheit des Navigationssystems verbunden ist, ein elektromagnetisches Feld 9 ausgesendet wird. Dieses elektromagnetische Feld wird von den Positionssensoren 7 detektiert, die aufgrund des elektromagnetischen Feldes 9 die Orientierungsinformationen erzeugen. Mit Hilfe der Positions­ sensoren 7 können die Raumpositionen und Raumwinkel des Laparoskops und der/des chirurgischen Instrumentes 6 bzw. deren Raumpositionen zueinander sehr genau detektiert werden. Diese Raumpositionen und Winkelinformationen werden durch den Steu­ errechner 1 erfasst, der daraufhin den Roboter 4 so ansteuert und somit das Laparoskop 5 so ausrichtet, dass sich alle zu überwachenden chirurgischen Instrumente 6 im Blickfeld der Kamera, deren Bilder auf einem Bildschirm ausgegeben werden, und somit im Blickfeld des Chirurgen befinden.
Die vorliegende Erfindung eignet sich sowohl für den Einsatz mit einem Mono- (mit einer Optik) als auch mit einem Stereo- (mit zwei Optiken) Laparoskop.
Der Steuerrechner 1 sendet die Befehle zur Nachführung des Laparoskops 5 über eine Schnittstelle 13 (Interface) an den Roboter 4. Der Roboter 4 führt, aufgrund der vom Steuerrech­ ner 1 empfangenen Befehle, das am Roboterarm 10 befestigte Laparoskop 5 entsprechend der Bewegungen des durch den Chi­ rurgen geführten chirurgischen Instruments 6 nach.
Die Bewegung des Laparoskops 5 kann mit Hilfe des Gelenkarmes 10 in sechs Freiheitsgraden erfolgen: rechts-links, auf-ab, nah-fern, neigen, kippen, drehen. Dabei ist es möglich, eine bestimmte Anzahl von Freiheitsgraden auszuschließen. Das ist besonders dann wichtig, wenn eine Bewegung des Laparoskops 5 in bestimmte Richtungen oder um bestimmte Raumwinkel die Ope­ rationssicherheit gefährden oder wenn die chirurgischen In­ strumente 6 nur in einem bestimmten Bereich des Operations­ feldes geführt werden.
Der Steuerrechner 3 erfasst kontinuierlich oder in Interval­ len die Raumpositionen und Raumwinkel des Laparoskops 5 (Kamera) und der chirurgischen Instrumente 6 aufgrund der dort angebrachten Positionssensoren 7. Erkennt der Steuer­ rechner 1, dass sich Laparoskop 5 und chirurgisches Instru­ ment 6 in Positionen befinden, in der das chirurgische In­ strument 6 nicht von der Kamera erfasst werden kann, erteilt der Steuerrechner 1 an den Roboter 4 über eine (beispiels­ weise serielle oder parallele) Schnittstelle 13 den Befehl, sich so zu bewegen, dass sich das chirurgische Instrument 6 in der Mitte oder in einem definierten Bereich des Kamera­ blickwinkels befindet. Ebenfalls kann die Entfernung zwischen dem Laparoskop 5 und dem chirurgischen Instrument 6 auf diese Weise so geregelt werden, dass die Entfernung ein vorgebbares Toleranzintervall nicht unter- oder überschreitet. Die Erfas­ sung der Raumkoordinaten des Laparoskops 5 und der chirurgi­ schen Instrumente 6 und die entsprechende Ansteuerung des Roboterarms 10 läuft so in einem Regelkreis ab.

Claims (8)

1. Operationssystem zum Durchführen von operativen Eingrif­ fen, mit einem an einem Roboterarm (10) angebrachten Lapa­ roskop (5) zum Visualisieren der Eingriffe, einem chirurgi­ schen Instrument (6) zum Durchführen der Eingriffe, gekennzeichnet durch jeweils einen Positionssensor (7) an Laparoskop (5) und chi­ rurgischem Instrument (6) zum Erzeugen von Orientierungsin­ formationen, und einem Navigationssystem (3) zum Ermitteln der Positionen von Laparoskop (5) und chirurgischem Instru­ ment (6) anhand der von den Positionssensoren (7) erzeugten Orientierungsinformationen, wobei mit Hilfe der ermittelten Positionen das Laparoskop (5) automatisch durch den Roboter­ arm (10) so nachgeführt wird, dass sich das chirurgische In­ strument (6) im Blickfeld des Laparoskops (5) befindet.
2. Operationssystem gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeich­ net, dass das Navigationssystem (3) auf Schallwel­ len basiert.
3. Operationssystem gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeich­ net, dass das Navigationssystem (3) auf elektro­ magnetischen Wellen basiert.
4. Operationssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Navigationssystem (3) auf optischen Wellen basiert.
5. Operationssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssensoren (7) an der Spitze des Laparoskops (5) bzw. des chirurgischen Instrumentes (6) angebracht sind.
6. Operationssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, dass die Positionssensoren (7) extrakorpo­ ral an dem Laparoskop (5) bzw. dem chirurgischen Instrument (6) angebracht sind.
7. Verfahren zum Durchführen von operativen Eingriffen, mit einem an einem Roboterarm (10) angebrachten Laparoskop (5) zum Visualisieren der Eingriffe, einem chirurgischen Instru­ ment (6) zum Durchführen der Eingriffe, mit den Schritten Erzeugen von Orientierungsinformationen von Laparoskop (5) und chirurgischem Instrument (6), Ermitteln der Positionen von Laparoskop (5) und chirurgischem Instru­ ment (6) anhand der erzeugten Orientierungsinformationen, und automatisches Nachführen des Laparoskopes (5) mit Hilfe der ermittelten Positionen derart, dass sich das chirurgische In­ strument (6) im Blickfeld des Laparoskops (5) befindet.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es bei minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen eingesetzt wird.
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