DE102024105566A1

DE102024105566A1 - Steuervorrichtung, robotische Anordnung, Operationsmikroskop und Verfahren zum Steuern der Bewegung eines chirurgischen Instruments

Info

Publication number: DE102024105566A1
Application number: DE102024105566.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Reichard; Ernar AMANOV; Matthias Hillenbrand
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2024-02-28
Filing date: 2024-02-28
Publication date: 2025-08-28
Also published as: WO2025180937A1

Abstract

Es wird eine Steuervorrichtung (1) zur Steuerung der Bewegung eines chirurgischen Instruments (2) beschrieben, wobei die Steuervorrichtung (1) eine Sensoreinrichtung (6), eine Auswertungseinrichtung (7) und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (8) umfasst und wobei die Sensoreinrichtung (6) zum optischen Erfassen von Bilddaten eines Bereichs eines Gewebes (4) ausgelegt ist, die Auswertungseinrichtung (7) basierend auf mittels der Sensoreinrichtung (6) erfassten Bilddaten ausgelegt ist zum Ermitteln mindestens eines Merkmals des Gewebes (4) in dem erfassten Bereich, wobei eine Veränderung des Merkmals einen Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument (2) und dem Gewebe (4) kennzeichnet, und die Mensch-Maschine-Schnittstelle (8) basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal, zur Ausgabe von Feedback-Signalen ausgelegt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung, eine robotische Anordnung und ein Operationsmikroskop, beispielsweise für die Mikrochirurgie, insbesondere für die Ophthalmochirurgie und die Neurochirurgie. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Steuern der Bewegung eines chirurgischen Instruments.
Aktuell werden chirurgische Verfahren typischerweise manuell ausgeführt. In bestimmten Gebieten, wie beispielsweise der Laparoskopie, gewinnen telemanipulierbare Operationsroboter an Popularität. In Zukunft werden Systeme mit einer Automatisierung auf Aufgabenebene oder mit einem höheren Grad an Automatisierung eine steigende Bedeutung erlangen. Entsprechende robotische Systeme werden eine an die Anforderungen angepasste, weiterentwickelte Sensorik und an die jeweils auszuführende Maßnahme angepasste Funktionen erfordern.
Bei manuellen Eingriffen vertrauen die Operateure, z.B. Chirurg/innen auf ihr visuelles Feedback, um insbesondere die Tiefe und dadurch die Instrument-Gewebe-Interaktion abschätzen zu können. Diese Fähigkeit erlangen die Operateure durch jahrelange Arbeitserfahrung. Ein robotisches System benötigt also ein entsprechendes Feedback, um einen sicheren und zuverlässigen Kontakt zum Gewebe sicherzustellen.
In vielen Verfahren der Ophthalmochirurgie müssen chirurgische Instrumente mit empfindlichem Gewebe in Kontakt gebracht werden, beispielsweise um bei einer Kataraktoperation einen Kapselsack zu greifen oder bei einem Membranpeeling in der Netzhautchirurgie eine Membran auf der Retina abzutragen. Die dabei optimalerweise wirkenden Kräfte liegen im Bereich weniger Millinewton (mN). Diese optimalen Kräfte zwischen der Spitze des chirurgischen Instruments und dem zu behandelnden Gewebe liegen oft unterhalb des für einen Menschen wahrnehmbaren Bereichs. Wenn die Kräfte zu hoch sind, besteht die Gefahr, dass das chirurgische Instrument umliegendes Gewebe beschädigt, z.B. die Retina während einer Netzhautoperation oder die Zonulafasern während einer Kataraktoperation. Sind die Kräfte zu gering, kann eine Durchführung des operativen Schritts nicht möglich sein, z.B. weil kein verlässliches Greifen eines Gewebes möglich ist. Ein Erfassen oder Fühlen der Kraft ist zudem deshalb kompliziert, weil während vieler augenchirurgischer Schritte Kräfte und Drehmomente am Eintrittspunkt in das Auge absorbiert werden, z.B. durch einen Trokar für die Netzhautchirurgie oder einen Schnitt in der Hornhaut im Rahmen einer Kataraktoperation. Im Ergebnis kann sich der/die Chirurg/in (im Folgenden auch Operateur genannt) während vieler ophthalmologischer Operationsschritte nicht auf ein haptisches Feedback verlassen und ist auf Sensoren außerhalb der eigenen Körperwahrnehmung angewiesen.
Ophthalmologische Operationsmikroskope eignen sich zum Erfassen der relativen lateralen Position zwischen einem chirurgischen Instrument und dem Gewebe und für eine grobe Abschätzung der Tiefe, z.B. der Eindringtiefe des Instruments in das Gewebe. Um eine unzureichende Kraft- und Tiefenerfassung zu kompensieren, verlassen sich Operateure häufig auf zusätzliche Hinweise, wie beobachtete Schatten, Farbveränderungen oder eine Faltenbildung des Gewebes unter Belastung. In anderen Fällen müssen Operationsschritte bei verschiedenen Tiefen wiederholt werden bis z.B. das Instrument greift und der chirurgische Schritt erfolgreich ausgeführt werden kann. Dies ist oft nur an Gewebereaktionen, wie z.B. der Ausbreitung eines Reißpunktes, erkennbar. Viele visuelle Hinweise, die ein Operateur typischerweise erfasst, sind mit einem Kamerasystem oder Computeralgorithmen schwer detektierbar.
Zur Unterstützung von Kataraktoperationen sind zum Beispiel Femtosekunden-Laser erhältlich. Diese Systeme weisen typischerweise einen integrierten optische Kohärenztomographen (OCT) für eine verbesserte Tiefensensorik auf. Hierdurch werden allerdings zusätzliche Kosten verursacht, auf dem Auge zu platzierende Kontaktgläser sind erforderlich und im allgemeinen kann bei OTC Systemen der Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument und dem Gewebe unter Umständen nur unzureichend erfassbar sein.
In dem Dokument US 2011 / 0 106 102 A1 wird ein robotisches chirurgisches System für Augenoperationen beschrieben, wobei ein optischer Sensor im Bereich der Spitze eines chirurgischen Instruments genutzt wird. In dem Dokument US 2017 / 0 312 431 A1 wird ein augenchirurgisches System beschrieben, welches eine Druckmessung während einer Infusion ermöglicht. In dem Dokument US 2016 / 0 074 212 A1 wird eine Vorrichtung zum Einbringen eines Medikaments in ein Auge offenbart, welches ein Detektions- und Visualisierungssystem zur Detektion und Visualisierung einer Durchdringung der Aderhaut durch eine Injektionsnadel als Feedback für einen Operateur und/oder für eine automatisierte Steuerung umfasst.
In dem Dokument US 2007 / 0 151 390 A1 wird ein robotisches chirurgisches Instrument mit einem Kraft- und Drehmomentsensor an der Spitze beschrieben. In den Dokumenten US 2012 / 0 265 102 A1 und WO 2017 / 118949 A1 werden Herzkatheter mit Kraftsensoren an der Spitze offenbart.
Vor dem beschriebenen Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine vorteilhafte Steuervorrichtung, beispielsweise für die Mikrochirurgie, zur Steuerung der Bewegung eines chirurgischen Instruments zur Verfügung zu stellen. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine vorteilhafte robotische Anordnung, ein Operationsmikroskop und ein Verfahren zum Steuern der Bewegung eines chirurgischen Instruments, jeweils beispielsweise für die Mikrochirurgie, zur Verfügung zu stellen.
Die genannten Aufgaben werden durch eine Steuervorrichtung gemäß Patenanspruch 1, eine robotische Anordnung gemäß Patentanspruch 9, ein Operationsmikroskop gemäß Patentanspruch 17 und ein Verfahren zum Steuern der Bewegung eines chirurgischen Instruments gemäß Patentanspruch 18 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung, vorzugsweise für die Mikrochirurgie, zur Steuerung der Bewegung eines chirurgischen Instruments, insbesondere chirurgischen Werkzeugs oder Tools, umfasst eine Sensoreinrichtung, eine Auswertungseinrichtung und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle. Unter einer Sensoreinrichtung kann mit anderen Worten ein Mittel zum Erfassen von physikalisch messbaren Größen, wie beispielsweise eine Kamera, ein Detektor oder eine Signalerfassungsvorrichtung oder eine Messeinrichtung usw., verstanden werden. Unter einer Auswertungseinrichtung kann mit anderen Worten ein Mittel zum Empfangen, Verarbeiten und Ausgeben von Daten und/oder Signalen, z.B. ein Computer oder eine Datenverarbeitungsanlage, verstanden werden. Unter einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI - human machine interface) kann mit anderen Worten eine Benutzerschnittstelle für Eingaben durch einen Nutzer und/oder Ausgaben an den Nutzer verstanden werden.
Die Sensoreinrichtung ist zum optischen Erfassen, insbesondere zum visuellen Erfassen, von Bilddaten eines Bereichs eines Gewebes, also des zu manipulierenden Gewebebereichs, ausgelegt. Die Auswertungseinrichtung ist basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten Bilddaten zum Ermitteln mindestens eines Merkmals, also eines optisch erfassten Merkmals, des Gewebes in dem erfassten Bereich, wobei eine Veränderung des Merkmals einen Kontakt oder eine Wechselwirkung zwischen dem chirurgischen Instrument und dem Gewebe kennzeichnet, ausgelegt. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle ist basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal zur Ausgabe von Feedback-Signalen, z.B. an einen Operateur und/oder einen robotischen Manipulator, ausgelegt.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist also mit anderen Worten zum Erfassen und Auswerten von Gewebeveränderungen, welche durch einen Kontakt mit dem chirurgischen Instrument bewirkt werden, ausgelegt. Das Ermitteln des mindestens einen Merkmals des Gewebes kann ein Erfassen und/oder Detektieren und/oder Qualifizieren und/oder Quantifizieren des Merkmals umfassen. Beispielsweise können Veränderungen des Gewebes im Hinblick auf seine Farbe und/oder geometrische Form erfasst und ausgewertet werden.
Unter einem chirurgischen Instrument wird vorliegend ein physisches Tool oder Werkzeug oder Gerät, mit welchem im Rahmen einer chirurgischen Maßnahme physisch auf Gewebe eingewirkt werden kann, verstanden.
Bei dem mindestens einen Merkmal, welches basierend auf Bilddaten ermittelt wird, kann es sich um einen Parameter oder eine Größe handeln, z.B. eine Farbe oder Farbveränderung oder einen Abstand oder eine Abmessung oder eine Form eines Schattens oder eine Art einer Gewebereaktion oder einen anderen Parameter, welcher eine durch eine Wechselwirkung oder einen Kontakt mit einem chirurgischen Instrument bewirkte oder verursachte Gewebereaktion kennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung, insbesondere für die Mikrochirurgie, ist vorzugsweise zur Steuerung der Bewegung eines chirurgischen Instruments während eines chirurgischen Verfahrens oder Eingriffs ausgelegt. Es kann sich um eine Steuervorrichtung für die Ophthalmochirurgie oder die Neurochirurgie handeln. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Steuervorrichtung für einzelne Schritte, z.B. Kapsulorhexis oder Kapselsackpolieren, im Rahmen von Kataraktoperationen ausgelegt sein. Weitere Anwendungsbeispiele sind das Membran-Peeling in der Netzhautchirurgie, z.B. der Schritt des Bürstens zum Ablösen der abgerissenen Membran, die Hornhautchirurgie oder allgemein eine Vermeidung von zu hoher Krafteinwirkung im Rahmen von Phakoemulsifikation oder Linseninjektionen. Zudem kann die erfindungsgemäße Steuervorrichtung zum assistierten oder automatisierten Nähen in der Mikrochirurgie, z.B. in der Ophthalmochirurgie oder Neurochirurgie, ausgelegt sein.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung hat den Vorteil, dass sie für mikrochirurgische Anwendungen ein verbessertes Feedback im Rahmen der Steuerung der Bewegung des chirurgischen Instruments zu einer optimalen Durchführung des geplanten Eingriffs oder Verfahrens bietet. Die Steuerung ist damit sehr zuverlässig. Sie ist gleichzeitig kostengünstig, da keine kostenintensive Sensorik erforderlich ist.
In einer vorteilhaften Variante ist die Auswertungseinrichtung basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten Bilddaten und/oder basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal und/oder basierend auf dem ausgegebenen Feedback-Signal zum Festlegen einer Trajektorie des chirurgischen Instruments ausgelegt. Dabei kann ein Festlegen der Trajektorie auch ein Ermitteln und/oder Anpassen der Trajektorie umfassen. Insbesondere kann die Trajektorie kontinuierlich in Abhängigkeit von dem Verhalten des ermittelten Merkmals, insbesondere einer Veränderung des ermittelten Merkmals, angepasst werden. Dies ist für eine Assistenzfunktion für eine manuelle Führung des chirurgischen Instruments durch einen Operateur oder für eine zumindest teilweise automatisierte robotische Anwendung von Vorteil. Mittels einer entsprechenden Trajektorie kann die Einwirkung des chirurgischen Instruments auf das Gewebe optimiert werden.
In einer vorteilhaften Variante kann die Steuervorrichtung basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten Bilddaten und/oder basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal und/oder basierend auf dem ausgegebenen Feedback-Signal zum Ausgeben einer Trajektorie für eine Bewegung, z.B. eine zumindest teilweise automatisierte Bewegung, des chirurgischen Instruments ausgelegt sein. Dabei kann die Trajektorie mindestens ein sich wiederholendes Bewegungsmuster umfassen. In einer bevorzugten Variante ist die Steuervorrichtung zur Steuerung einer zumindest teilweise automatisierten Bewegung des chirurgischen Instruments, insbesondere der Bewegung einer Spitze des chirurgischen Instruments, entlang einer festgelegten Trajektorie, welche ein sich wiederholendes Bewegungsmuster umfasst, ausgelegt.
Die Trajektorie kann z.B. einen stetigen Pfad entlang einer gedachten Fläche umfassen, wobei die Fläche konisch oder zylindrisch geformt sein kann und/oder der Pfad kreisförmige und/oder elliptische und/oder helikale und/oder parabolische und/oder hyperbolische und/oder lineare Teilbereiche aufweisen kann. Die Bewegung kann zumindest teilweise als Greifbewegung ausgestaltet sein.
In einer weiteren Variante kann die Trajektorie zumindest teilweise in einer Ebene liegen. Dabei kann sich die Ebene senkrecht zu einer lateralen Ebene und/oder senkrecht zu einer Objektebene der Sensoreinrichtung erstrecken. Unter der Objektebene wird eine Ebene verstanden, in der z.B. das Gewebe optisch erfasst wird. Mittels der genannten Varianten lassen sich z.B. Greifbewegungen oder Schnittbewegungen des chirurgischen Instruments optimieren.
Die Sensoreinrichtung kann mindestens eine Kamera zum gleichzeitigen Erfassen einer Vielzahl an lateral angeordneten Bildpunkten und/oder eine Scanvorrichtung zum zeitsequenziellen Erfassen lateral angeordneter Bildpunkte umfassen. Die Sensoreinrichtung kann eine Stereokamera und/oder einen optischen Kohärenztomographen (OCT) und/oder ein Operationsmikroskop und/oder ein konfokales System umfassen. Hierbei können axiale Informationen mit niedriger Auflösung mit präziseren Informationen, z.B. aus einer Gewebereaktion abgeleiteten Informationen, fusioniert oder verbunden oder ergänzt werden. Auf diese Weise lassen sich auf einfache und kostengünstige Art verlässliche Daten, insbesondere axiale Daten, zur Steuerung des chirurgischen Instruments gewinnen.
Die Mensch-Maschine-Schnittstelle kann weiterhin zur Eingabe eines lateralen Pfades der Bewegung des chirurgischen Instruments ausgelegt sein. Beispielsweise kann eine Telemanipulation der lateralen Position des chirurgischen Instruments vorgesehen sein, während mittels einer robotischen Steuerung eine bestimmte, z.B. vorgegebene, axiale Position des chirurgischen Instruments in Bezug auf das Gewebe aufrechterhalten wird. Die Steuervorrichtung kann zur Planung und/oder zum Festlegen einer Trajektorie des chirurgischen Instruments zur teil- oder vollautomatisierten Steuerung des chirurgischen Instruments mittels einer robotischen Anordnung ausgelegt sein.
Die erfindungsgemäße robotische Anordnung, insbesondere für die Mikrochirurgie, umfasst mindestens ein robotisch führbares chirurgisches Instrument, mit anderen Worten ein durch einen Roboter bezüglich seiner Bewegung steuerbares, also mittels eines Roboters bewegbares oder bedienbares chirurgisches Instrument, und mindestens einen robotischen Manipulator, mit anderen Worten ein robotisch bewegbares Gerät zur physikalischen Interaktion mit der Umgebung, mit einer Befestigungseinrichtung, mit anderen Worten mit einem Mittel zum Herstellen einer reversiblen physikalischen Verbindung, zur Befestigung des chirurgischen Instruments an dem robotischen Manipulator. Die robotische Anordnung umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Steuervorrichtung, welche zur Steuerung der Bewegung des chirurgischen Instruments mittels des robotischen Manipulators ausgelegt ist. Die robotische Anordnung kann zu einem teilautomatisierten oder vollautomatisierten Betrieb ausgelegt sein. Die erfindungsgemäße robotische Anordnung hat dieselben Merkmale und Vorteile wie die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Steuervorrichtung.
Der robotische Manipulator weist vorzugsweise mindestens 3, z.B. 6, Bewegungsfreiheitsgrade zur Manipulation auf und die Steuervorrichtung ist vorzugsweise zur Steuerung der Bewegung des chirurgischen Instruments mittels der mindestens 3 Bewegungsfreiheitsgrade, z.B. der 6 Bewegungsfreiheitsgrade, des robotischen Manipulators ausgelegt. Bei den Freiheitsgraden kann es sich um Translationsfreiheitsgrade und/oder Rotationsfreiheitsgrade handeln. Beispielsweise können 3 Translationsfreiheitsgrade bezogen auf ein kartesisches Koordinatensystem und/oder 3 Rotationsfreiheitsgrade, z.B. um die jeweiligen Achsen des kartesischen Koordinatensystems, vorgesehen sein. Je nach den Anforderungen der Anwendung und dem dabei verwendeten Bezugssystem, z.B. einem kartesischen Koordinatensystem oder Zylinderkoordinatensystem oder Kugelkoordinatensystem etc., können eine bestimmte Anzahl an Translationsfreiheitsgraden und/oder Rotationsfreiheitsgraden vorgesehen sein. Ein Manipulator mit 6 Freiheitsgraden umfassend 3 Translationsfreiheitsgrade und 3 Rotationsfreiheitsgrade hat den Vorteil, dass die Manipulation der Bewegung uneingeschränkt in alle Richtungen möglich ist. Für bestimmte Anwendung kann eine geringere Anzahl an Freiheitsgraden ausreichend sein. Ein Manipulator mit z.B. nur 3 oder 4 Bewegungsfreiheitsgraden hat den Vorteil, dass er im Vergleich zu einem Manipulator mit einer höheren Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden kostengünstiger und gegebenenfalls weniger fehleranfällig ist.
Vorteilhafterweise ist die robotische Anordnung so ausgelegt, dass als ein Bezugspunkt, z.B. im Form eines Koordinatenursprungs, für eine Bewegung des chirurgischen Instruments ein Eintrittspunkt in ein bestimmtes Gewebe, z.B. ein definiertes Gewebe eines bestimmten Organs, festgelegt oder festlegbar ist, wobei die laterale Position des chirurgischen Instruments mit einer Winkelausrichtung des chirurgischen Instruments oder des Manipulators in Bezug auf den Bezugspunkt, also mindestens einem Rotationswinkel des chirurgischen Instruments oder des Manipulators in Bezug auf den Bezugspunkt, und die axiale Position des chirurgischen Instruments mit einer Eintrittstiefe des chirurgischen Instruments oder des Manipulators durch den Eintrittspunkt korrespondiert. Der Eintrittspunkt kann durch einen Trokar oder einen Einstich in ein Gewebe, z.B. die Hornhaut, definiert sein. Die Festlegung des Eintrittspunkts als Bezugspunkt ermöglicht eine intuitive, dem Bewegungsmuster bei einem manuellen Eingriff nachempfundene und zudem rechentechnisch effiziente Steuerung der Bewegung des chirurgischen Instruments.
Die robotische Anordnung kann zum Unterbrechen einer Bewegung, insbesondere des sich wiederholenden Bewegungsmusters, des chirurgischen Instruments ausgelegt sein, falls ein Kontakt zwischen dem Gewebe und dem chirurgischen Instrument ermittelt wird, z.B. mittels der Auswertungseinrichtung. Dies hat den Vorteil, dass eine möglicherweise unerwünschte Einwirkung auf das Gewebe vermieden werden kann. Dabei kann die robotischen Anordnung zum Umschalten in einen Modus mit einem vorgegebenen, z.B. nutzerdefinierten, lateralen Bewegungspfad ausgelegt sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die robotische Anordnung zum Aufrechterhalten einer Bewegung, z.B. einer festgelegten axialen Bewegung und/oder des sich wiederholenden Bewegungsmusters, des chirurgischen Instruments bei einer gleichzeitigen Bewegung des chirurgischen Instruments entlang eines lateralen Pfades, z.B. eines durch einen Operateur oder Nutzer festlegbaren oder festgelegten oder nutzerdefinierten lateralen Pfades.
Die robotische Anordnung kann zu einem teilautomatisierten oder vollautomatisierten Betrieb ausgelegt sein, wobei die lateralen Anteile einer Trajektorie des chirurgischen Instruments basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten Daten steuerbar sind, wobei ein Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument und dem Gewebe während einer Durchführung einer Bewegung, z.B. einer axialen Bewegung, des chirurgischen Instrument mit einem sich wiederholenden Bewegungsmuster aufrechterhalten wird. Ein teilautomatisierter Betrieb hat den Vorteil, dass bestimmte Bewegungen des chirurgischen Instruments manuell steuerbar sind, ein Operateur also diesbezüglich selbständig agieren kann, während gleichzeitig für andere Bewegungen die hohe Genauigkeit und Präzision des automatisierten Betriebs genutzt wird. Ein vollautomatisierter Betrieb hat den Vorteil, dass eine hohe Genauigkeit und eine hohe Präzision des chirurgischen Eingriffs gewährleistet werden.
Der Begriff Steuern umfasst auch Regeln im Sinne der Steuerungs- und Regelungstechnik. Insbesondere kann ein Kontakt zwischen dem Gewebe und dem chirurgischen Instrument teilautomatisiert oder vollautomatisiert steuerbar sein. Hierbei kann die robotische Anordnung zu einer Regelung mittels eines Closed-Loop-Reglers zur Aufrechterhaltung eines Kontakts zwischen dem Gewebe und dem chirurgischen Instrument, z.B. für eine festlegbare Zeitdauer, ausgelegt sein.
In einer weiteren Variante kann die robotische Anordnung eine Mensch-Maschine-Schnittstelle umfassen, mittels welcher das chirurgische Instrument bezüglich seiner lateralen Bewegung, also in Bezug auf die lateralen Bewegungsanteile, in Bezug auf das Gewebe oder die Gewebeoberfläche durch einen Nutzer steuerbar ist, während eine axiale oder mediale Bewegung, also der axiale oder mediale Bewegungsanteil, des chirurgischen Instruments in Bezug auf das Gewebe oder die Gewebeoberfläche automatisiert steuerbar ist. Dabei kann die Steuerung voll- oder teilautomatisiert und/oder in Form einer Regelung erfolgen. Es kann beispielsweise eine Eingabevorrichtung, z.B. ein Joystick oder ähnliches, vorgesehen sein, mittels welcher ein Operateur oder Nutzer das chirurgische Instrument lateral steuern kann, während der Kontakt oder die axiale Beziehung zwischen dem chirurgischen Instrument und dem Gewebe basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten Daten aufrechterhalten wird. Die beschriebene Variante hat den Vorteil, dass eine zu große oder zu geringe Krafteinwirkung des chirurgischen Instruments auf das Gewebe vermieden wird, während gleichzeitig eine manuelle laterale Steuerung des chirurgischen Instruments ermöglicht wird.
Weiterhin kann die robotische Anordnung eine Mensch-Maschine-Schnittstelle mit einer Planungsfunktion, also eine entsprechende Komponente, umfassen, mittels welcher basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten lateralen Positionsdaten ein zu behandelnder Gewebebereich festlegbar ist, z.B. durch einen Nutzer, und die robotische Anordnung dazu ausgelegt ist, einen festgelegten chirurgischen Schritt zumindest teilautomatisiert, also teil- oder oder vollautomatisiert, basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten Daten bezüglich eines Kontakts zwischen dem chirurgischen Instrument und der Gewebeoberfläche auszuführen, z.B. basierend auf der Bewegung mit einem sich wiederholenden Bewegungsmuster. Zum Beispiel kann mittels der Planungsfunktionen ein Operateur bzw. Nutzer einen zu behandelnden räumlichen Bereich basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten lateralen Positionsdaten definieren und die robotische Anordnung kann dazu ausgelegt sein, einen chirurgischen Schritt, beispielsweise das Greifen einer Kapselsack-Membran, an der benutzerdefinierten lateralen Position auszuführen, während das chirurgische Instrument für den Vorgang in eine bestimmte, z.B. festgelegte, axiale Position gebracht wird. Dies erfolgt vorzugsweise basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal und/oder den ermittelten Feedback-Signalen. Dabei kann eine Closed-Loop-Regelfunktionen vorgesehen oder vorhanden sein, welche dazu ausgelegt ist, das chirurgische Instrument automatisch in die richtige laterale Position und den richtigen Abstand zu dem Gewebe zu bringen.
Vorteilhafterweise umfasst die robotische Anordnung eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, welche zur Ausgabe von Informationen zur Assistenz ausgelegt ist, insbesondere zur Ausgabe von Warnungen, Empfehlungen, z.B. zur Trajektorie des chirurgischen Instruments. Hierdurch kann die Qualität des Eingriffs verbessert werden und es kann möglichen Sicherheitsvorgaben Rechnung getragen werden. Auch in diesem Zusammenhang kann eine Closed-Loop-Regelung vorgesehen sein.
In einer weiteren Variante kann die robotische Anordnung während der Ausführung einer chirurgischen Maßnahme oder Aufgabe zwischen zwei Betriebsmodi umschaltbar sein, wobei in einem ersten Betriebsmodus das chirurgische Instrument und das Gewebe im Kontakt sind und in einem zweiten Betriebsmodus das chirurgische Instrument und das Gewebe nicht im Kontakt sind. Der zweite Betriebsmodus kann zur Repositionierung des chirurgischen Instruments ausgelegt sein oder hierzu genutzt werden. Die Auswahl des Betriebsmodus kann basierend auf von der Sensoreinrichtung erfassten Daten erfolgen. Die Betriebsmodi können manuell und/oder automatisiert umschaltbar sein. Im Rahmen der Betriebsmodi können Closed-Loop-Regelungen vorgesehen sein. Zum Beispiel kann in dem ersten Betriebsmodus eine Membran zum Abreißen dieser durch das chirurgische Instrument gegriffen werden und in dem zweiten Betriebsmodus kann die Membran losgelassen werden, um das chirurgische Instrument zu repositionieren. In beiden Betriebsmodi liefert die Sensoreinrichtung oder mehrere Sensoreinrichtungen die erforderlichen Informationen um einen festgelegten oder festlegbaren Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument und dem Gewebe aufrechtzuerhalten. Das Umschalten kann beispielsweise basierend auf lateralen Positions-Informationen manuell erfolgen oder basierend auf dem Fortschritt eines chirurgischen Schrittes und Informationen von der Sensoreinrichtung automatisiert erfolgen.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung und/oder die erfindungsgemäße robotische Anordnung können zur Differenzierung zwischen verschiedenen, z.B. klassifizierten, Arten eines Kontakts zwischen dem Gewebe und dem chirurgischen Instrument basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal, z.B. einer beobachteten bestimmten Gewebereaktion, ausgelegt sein. Die Ausgabe von Feedback-Signalen und/oder die Steuerung des chirurgischen Instruments kann basierend auf einer mittels der Differenzierung ermittelten Art des Kontakts vorgesehen sein. In einem Beispiel kann zwischen einem guten Kontakt, einem moderaten Kontakt und keinem Kontakt zwischen dem Gewebe und dem chirurgischen Instrument unterschieden bzw. differenziert werden. Ein guter Kontakt kann im Falle einer Kaspulorhexis-Operation an einer Ausbreitung des Reißpunktes erkannt werden. Ein moderater Kontakt kann daran erkannt werden, dass eine relativ große Bewegung des chirurgischen Instruments zu einer relativ geringen Ausbreitung des Reißpunktes führt. Das Vorliegen keines Kontaktes kann an einer fehlenden Ausbreitung des Reißpunktes erkannt werden.
Die robotische Anordnung kann dazu ausgebildet sein, eine Bewegung des Gewebes zu erfassen und im Falle einer erfassten Bewegung des Gewebes, zum Beispiel infolge von Herzschlag oder Atmung, mindestens das chirurgische Instrument, gegebenenfalls auch weitere Komponenten, der erfassten Bewegung nachzuführen. Hierdurch können durch die Bewegung des Gewebes verursachte, ungeplante Einwirkungen des chirurgischen Instruments auf das Gewebe reduziert oder vermieden werden. Das Nachführen kann automatisiert, z.B. teilautomatisiert oder vollautomatisiert, ausgelegt sein bzw. erfolgen. Das Nachführen kann durch festlegbare oder festgelegte Grenzen beschränkt sein. Das Erfassen einer Bewegung des Gewebes kann mittels der Sensoreinrichtung oder weiterer Sensoreinrichtungen, z.B. einem Head-Tracker oder einem Eye-Tracker, erfolgen. Die robotische Anordnung kann zum Erfassen einer Bewegung des Gewebes in lateraler und/oder axialer Richtung ausgelegt sein. Zudem kann die robotische Anordnung zum Nachführen des chirurgischen Instruments und gegebenenfalls weiterer Komponenten in lateraler und/oder axialer Richtung ausgelegt sein. Hierbei können spezifische Einschränkungen der Bewegung vorgesehen sein.
Es kann beispielsweise ein Sensorsystem zum Erfassen lateraler Positionsdaten vorgesehen sein, welches axiale Positionsdaten mit geringer Auflösung bietet, z.B. ein Stereokamera-System oder OCT-System. Die mit diesem Sensorsystem erfassten Daten können zur Überlagerung oder Ergänzung oder Fusionierung mit aus dem mindestens einen ermittelten Merkmal abgeleiteten axialen Daten vorgesehen sein. Die axialen Daten oder Informationen können insbesondere zur Repositionierung des chirurgischen Instruments an einen Punkt, an welchem ein sich wiederholendes Bewegungsmuster ausgeführt werden soll, verwendet werden.
Ein vorgesehener Algorithmus zur Evaluierung der Gewebereaktion kann im Falle einer Kapsulorhexis berücksichtigen, dass die Länge der Bewegung des chirurgischen Instruments doppelt so lang ist wie die Ausbreitung des Reißpunktes.
Die robotische Anordnung kann zur axialen Steuerung des chirurgischen Instruments, z.B. im Fall von teleoperativen Anwendungen, zur Ausgabe eines haptischen Feedbacks an einen Operateur ausgelegt sein. Dies kann über die Mensch-Maschine-Schnittstelle, z.B. einen Joystick, in Form von Vibrationen oder durch einen aktiven Widerstand in einer bestimmten Bewegungsrichtung realisiert sein. Weiterhin kann in einer beispielhaften Ausgestaltung für die Ophthalochirurgie eine axiale Bewegung unterhalb eines Kapselsacks beschränkt sein, falls ein ausreichender Griff des Gewebes durch das chirurgische Instrument erreicht ist.
Allgemein kann eine Gewebereaktion auf einen Kontakt mit einem chirurgischen Instrument aus einem optischen Fluss oder zeitlich nacheinander erfassten Bildern des Gewebes bestimmt werden. Unter einem optischen Fluss einer Bildsequenz ist das Vektorfeld der in die Bildebene projizierten Geschwindigkeit von sichtbaren Punkten des Objektraumes im Bezugssystem der Abbildungsoptik zu verstehen. Weiterhin kann ein Gebiet oder Bereich, in welchem sich das chirurgische Instrument befindet, bei der Erfassung von Unterschieden zwischen zeitlich nacheinander erfassten Bildern ausgeschlossen werden. In einer speziellen Ausführungsvariante kann ein Algorithmus zur Erfassung von Unterschieden zwischen nacheinander erfassten Bildern dazu ausgelegt sein, zwischen Fällen, in denen sich das gesamte Bild bewegt (z.B. infolge einer Schwingung des Mikroskops), und Fällen, in denen sich verschiedene Teilbereiche des Bildes (z.B. erfasste Reißkanten des Gewebes) mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen, unterscheiden.
Das erfindungsgemäße Operationsmikroskop, z.B. für die Mikrochirurgie, umfasst eine oben beschriebene erfindungsgemäße Steuervorrichtung oder eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße robotische Anordnung. Das erfindungsgemäße Operationsmikroskop hat die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung und der erfindungsgemäßen robotische Anordnung beschriebenen Merkmale und Vorteile.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern der Bewegung eines chirurgischen Instruments umfasst folgende Schritte: optisches Erfassen von Bilddaten eines Bereichs eines Gewebes mittels einer Sensoreinrichtung; basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten Bilddaten Ermitteln mindestens eines Merkmals des Gewebes in dem erfassten Bereich, wobei eine Veränderung des Merkmals einen Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument und dem Gewebe kennzeichnet, unter Verwendung einer Auswertungseinrichtung; und Ausgeben von Feedback-Signalen basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle. Vorzugsweise wird basierend auf den Feedback-Signalen die Bewegung des chirurgischen Instruments gesteuert. Dabei kann die Steuerung zumindest teilautomatisiert erfolgen. Die Bewegung kann ein sich wiederholendes Bewegungsmuster, wie oben bereits ausführlich beschrieben, umfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung und der erfindungsgemäßen robotische Anordnung beschriebenen Merkmale und Vorteile. Es kann in den im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung und der erfindungsgemäßen robotische Anordnung beschriebenen Varianten ausgeführt werden. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung, die erfindungsgemäßen robotische Anordnung und das erfindungsgemäße Operationsmikroskop können zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können von einer Fachperson hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die einer Fachperson auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung in Form eines Blockdiagramms.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße robotische Anordnung in Form eines Blockdiagramms.
3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Operationsmikroskop in Form eines Blockdiagramms.
4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Steuerverfahren in Form eines Flussdiagramms.
5 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Oberfläche eines Kapselsackgewebes.
6 zeigt schematisch die Bewegung einer Spitze eines chirurgischen Instruments während einer Kapselsacköffnung (Kaspulorhexis).
7 und 8 zeigen schematisch Beispiele für die Bewegung eines zum Bürsten ausgelegten chirurgischen Instruments.
9 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Annäherung eines chirurgischen Instruments an ein zu manipulierendes Gewebe.
10 und 11 zeigen jeweils schematisch ein in der Hand haltbares mechatronisch steuerbares chirurgisches Instrument zum Bürsten von Gewebe.

Die 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung in Form eines Blockdiagramms. Die Steuervorrichtung 1 ist zur Steuerung 3 der Bewegung eines chirurgischen Instruments 2, vorzugsweise für die Mikrochirurgie, ausgelegt. Die Steuervorrichtung 1 umfasst eine Sensoreinrichtung 6, eine Auswertungseinrichtung 7 und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) 8. Die Sensoreinrichtung 6 ist zum optischen Erfassen von Bilddaten eines Bereichs eines Gewebes 4, insbesondere eines Bereichs einer Oberfläche 5 des Gewebes 4, ausgelegt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Gewebe 4 um ein biologisches Gewebe, beispielsweise um ein Gewebe eines Organs, z.B. um Augengewebe, auf welches mittels des chirurgischen Instruments 2 eingewirkt werden soll. Bei der Sensoreinrichtung 6 kann es sich um eine Kamera, zum Beispiel eine Kamera eines Operationsmikroskops, oder eine Scanvorrichtung zum zeitsequenziellen Erfassen laterale angeordneter Bildpunkte oder ein OCT handeln.
Die Auswertungseinrichtung 7 ist basierend auf mittels der Sensoreinrichtung 6 erfassten Bilddaten zum Ermitteln mindestens eines Merkmals des Gewebes 4 in dem erfassten Bereich ausgelegt. Dabei handelt es sich bei dem Merkmal um ein Merkmal, dessen Veränderung einen Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument 2 und dem Gewebe 4 kennzeichnet. Das Merkmal bildet also mit anderen Worten eine Gewebeveränderung infolge einer Einwirkung durch das chirurgische Instrument 2 ab. Vorteilhafterweise kann die Auswertungseinrichtung 7 basierend auf mittels der Sensoreinrichtung 6 erfassten Bilddaten zum Festlegen einer Trajektorie des chirurgischen Instruments 2 ausgelegt sein. Die Trajektorie kann ein sich wiederholendes Bewegungsmuster umfassen. Das sich wiederholende Bewegungsmuster kann kreisförmige und/oder elliptische und/oder helikale und/oder parabolische und/oder hyperbolische und/oder lineare Teilbereiche umfassen. In einer bevorzugten Variante ist die Steuervorrichtung 1 zur Steuerung einer zumindest teilweise automatisierten Bewegung des chirurgischen Instruments 2 entlang einer festgelegten Trajektorie ausgelegt, beispielsweise entlang einer Trajektorie, welche ein sich wiederholendes Bewegungsmuster umfasst.
Die HMI 8 ist basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal zur Ausgabe von Feedback-Signalen ausgelegt. Die Ausgabe von Feedback-Signalen kann an einen Operateur erfolgen, beispielsweise akustisch und/oder visuell und/oder audiovisuell und/oder haptisch. Die HMI 8 kann weiterhin zur Eingabe eines lateralen Bewegungspfades des chirurgischen Instruments 2 ausgelegt sein. Es kann also mit anderen Worten vorgesehen sein, dass ein Operateur die laterale Bewegung des chirurgischen Instruments 2 mittels der HMI 8 manuell steuert. Die Feedback-Signale können aber auch zur zumindest teilautomatisierten Steuerung des chirurgischen Instruments 2 an eine entsprechende robotische Vorrichtung ausgegeben werden.
Die Signalübertragung zwischen der Sensoreinrichtung 6, der Auswertungseinrichtung 7 und der HMI 8 ist jeweils durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 9 gekennzeichnet.
Die 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße robotische Anordnung in Form eines Blockdiagramms. Die robotische Anordnung 10, welche vorzugsweise für die Mikrochirurgie ausgebildet ist, umfasst mindestens ein robotisch führbares chirurgisches Instrument 2 und mindestens einen robotischen Manipulator 12 mit einer Befestigungseinrichtung 11 zur Befestigung des chirurgischen Instruments 2 an dem robotischen Manipulator 12. Die robotische Anordnung 10 umfasst zudem eine Steuervorrichtung 1, welche zur Steuerung des chirurgischen Instruments 2 mittels des robotischen Manipulators 12 ausgelegt ist. Bei der Steuervorrichtung 1 kann es sich um eine im Zusammenhang mit der 1 bereits beschriebene Steuervorrichtung 1 handeln.
Der robotische Manipulator 12 kann mindestens 3 Bewegungsfreiheitsgrade zur Manipulation aufweisen und die Steuervorrichtung 1 kann zur Steuerung der Bewegung des chirurgischen Instruments 2 mittels der mindestens 3 Bewegungsfreiheitsgrade des robotischen Manipulators 12 ausgelegt sein. Der robotische Manipulator 12 kann weiterhin in Abhängigkeit von dem ermittelten Merkmal des Gewebes, mittels welchem ein Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument 2 und dem Gewebe 4 bestimmbar ist, zum Unterbrechen einer Bewegung des chirurgischen Instruments und/oder zum Aufrechterhalten einer Bewegung des chirurgischen Instruments ausgelegt sein. Varianten hierfür sind oben bereits ausführlich beschrieben worden. Die robotische Anordnung 10 kann zum teilautomatisierten oder vollautomatisierten Betrieb ausgelegt sein.
Die 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Operationsmikroskop in Form eines Blockdiagramms. Das Operationsmikroskop 13 umfasst eine erfindungsgemäße robotische Anordnung 10, beispielsweise eine im Zusammenhang mit der 3 beschriebene robotische Anordnung 10.
Die 4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Steuerverfahren in Form eines Flussdiagramms. Das gezeigte Verfahren zum Steuern eines chirurgischen Instruments 2 umfasst folgende Schritte: In Schritt 21 werden Bilddaten eines Bereichs eines Gewebes 4 mittels einer Sensoreinrichtung 6 optisch erfasst, z.B. mittels einer Kamera oder einer Scan-Einrichtung. In Schritt 22 wird basierend auf mittels der Sensoreinrichtung 6 erfassten Bilddaten mindestens eines Merkmals des Gewebes in dem erfassten Bereich ermittelt, wobei eine Veränderung des Merkmals einen Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument 2 und dem Gewebe 4 kennzeichnet. Dies erfolgt unter Verwendung einer Auswertungseinrichtung, z.B. der Auswertungseinrichtung 7. In Schritt 23 werden basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal mittels einer HMI 8 Feedback-Signale ausgegeben. In einem optionalen Schritt 24 kann basierend auf mittels der Sensoreinrichtung 6 erfassten Bilddaten und/oder basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal und/oder basierend auf dem ausgegebenen Feedback-Signal eine Trajektorie für eine Bewegung oder die Steuerung einer Bewegung des chirurgischen Instruments 2 ermittelt und ausgegeben werden, wobei die Trajektorie mindestens ein sich wiederholendes Bewegungsmuster aufweisen kann. Ebenfalls optional kann die Bewegung des chirurgischen Instruments 2 entlang der Trajektorie gesteuert werden.
Im Folgenden werden Ausführungsvarianten der Erfindung anhand ophthalmochirurgischer Anwendungen erläutert. Zunächst werden einzelne Aspekte der Erfindung am Beispiel einer Kapselsacköffnung (Kapsulorhexis) beschrieben. Die 5 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Oberfläche 5 eines Kapselsackgewebes 4. Bei einer Kapselsacköffnung wird ein Teilbereich des Kapselsacks 31 aufgeklappt und durch die entstandene Öffnung 30 die darunterliegende Linse freigelegt. Die Bewegung eines hierfür verwendeten chirurgischen Instruments ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 32 gekennzeichnet, welcher eine Trajektorie der Spitze des chirurgischen Instruments abbildet. Während des Öffnungsvorganges bewegt sich ein Reißpunkt des Gewebes 4 von einer mit der Bezugsziffer 33 gekennzeichneten ersten Position ausgehend fort. Dies ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 34 gekennzeichnet. Eine beispielhafte zweite Position des Reißpunktes ist durch die Bezugsziffer 35 gekennzeichnet.
Die 6 illustriert den beschriebenen Prozess in zwei Schritten. Dabei ist in der 6 oben die Bewegung der Spitze des verwendeten chirurgischen Instruments 2 in zwei xy-z-Diagrammen dargestellt. Die x-y-Ebene kennzeichnet dabei eine laterale Ebene, vorliegend die Ebene, in welcher sich die Oberfläche 5 des Kapselsackgewebes 4 erstreckt. Die z-Richtung kennzeichnet die axiale Richtung, welche senkrecht zu der x-y-Ebene verläuft. In der 6 unten sind dem jeweils darüber angeordneten Diagramm entsprechende perspektivische Ansichten auf das Kapselsackgewebe 4, analog zu der in der 5 gezeigten Ansicht, gezeigt.
In dem in der 6 oben gezeigten Schritt wird das chirurgische Instrument bzw. die Spitze des chirurgischen Instruments entlang dem mit der Bezugsziffer 36 gekennzeichneten Teil der Trajektorie bis zur Oberfläche 5 des zu verschiebenden Gewebebereichs 31 des Kapselsacks 4 bewegt. Im Anschluss daran, also sobald ein Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument 2 und dem Kapselsack 4 hergestellt ist, erfolgt eine laterale Bewegung des chirurgischen Instruments 2 in der x-y-Ebene. Dies ist durch den in der 6 unten mit der Bezugsziffer 37 gekennzeichneten Bereich der Trajektorie gekennzeichnet. Die Bewegung des durch die Einwirkung des chirurgischen Instruments 2 bewirkte Verschiebung des Kapselsackgewebes 31 ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 38 gekennzeichnet.
Der Kontakt zwischen der Spitze des chirurgischen Instruments und dem Kapselsack 4 wird indirekt durch die an der Geometrie des aufgeklappt Gewebebereichs 31 oder der Geometrie der Öffnung 30 oder dem Reißpunkt optisch zu beobachtenden Veränderungen (dynamischen Effekte) detektiert.
Basierend auf erfassten Bilddaten kann die Spitze des chirurgischen Instruments so gesteuert werden, dass sich der Riss in einer berechneten Richtung in der x-y-Ebene ausbreitet oder fortsetzt. Sobald eine Bewegung oder Veränderung der Geometrie des aufgeklappten Gewebebereichs 31 detektiert bzw. erfasst wird, beispielsweise mittels einer Kamera und/oder eines Mikroskops, wird das chirurgische Instrument bei der aktuellen Position in z-Richtung, also der aktuellen Höhe in Bezug auf den Gewebebereich 31, gehalten und die Bewegung des chirurgischen Instruments in der x-y-Ebene bis zum Erreichen eines festgelegten Zielpunktes fortgesetzt. Anschließend wird das chirurgische Instrument 2 von dem Gewebebereich 31 abgehoben. Falls keine Veränderung der Geometrie des Gewebebereichs 31 beobachtet oder erfasst wird, wird die gleiche Bewegung mit einem geringeren z-Wert, also einem geringeren Abstand zu dem Kapselsack 4 oder dem Gewebebereich 31, wiederholt. Dies wird solange wiederholt, bis eine Veränderung der Geometrie des Gewebebereichs 31 beobachtet bzw. erfasst wird.
Zum Ermitteln oder Feststellen einer Veränderung infolge einer Einwirkung des chirurgischen Instruments 2 auf das Gewebe 4 kann die Geometrie der entstehenden Öffnung 30 und/oder die Geometrie des aufgeklappten Gewebebereichs 31 und/oder die Geometrie und/oder der Verlauf des Reißpunktes 33 erfasst und ausgewertet werden. Zum Ermitteln einer Veränderung, zum Beispiel der Geometrie des Risses, können bekannte Bildverarbeitungsverfahren verwendet werden, ebenso wie maschinenlernende Bildbearbeitungsverfahren oder Verfahren zur Bildbearbeitung bzw. Bildaufwertung. Eine Bildbearbeitung bzw. Bildaufwertung kann beispielsweise durch Erhöhen des Phasenkontrast oder durch Verwendung von Dunkelfeldmikroskopie erreicht werden.
Die 7 und 8 zeigen schematisch Beispiele für die Bewegung eines zum Bürsten ausgelegten chirurgischen Instruments. Dabei ist jeweils mit der Bezugsziffer 39 eine zu entfernende Membran oder ein zu entfernendes Gewebe 4 gekennzeichnet. Mit den Bezugsziffern 40 und 41 sind jeweils die Trajektorien der Spitze des chirurgischen Instruments in einer axialen Ebene, also einer senkrecht zur lateralen Ebene verlaufenden Ebene, gekennzeichnet. Die gezeigten Trajektorien 40 und 41 weisen dabei jeweils einen mit den Bezugsziffern 42 und 43 gekennzeichneten Bereich mit einem sich wiederholenden Bewegungsmuster auf. In der in der 7 gezeigten Variante ist das sich wiederholende Bewegungsmuster 42 aus parabolisch geformten Teilbereichen zusammengesetzt. In der in der 8 gezeigten Variante ist das sich wiederholende Bewegungsmuster 43 schleifenförmig oder sich elliptisch fortsetzend ausgebildet. Die Dimensionen der sich wiederholenden Bewegungsmuster liegen vorzugsweise im Mikrometerbereich. Die gezeigten Bewegungen des chirurgischen Instruments entlang der beispielhaft in den 7 und 8 gezeigten Trajektorien kann, beispielsweise auch im Rahmen der in den 5 und 6 gezeigten Anwendung, so lange fortgesetzt werden, bis eine Bewegung des Reißpunktes erfasst wird.
Die 9 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Annäherung eines chirurgischen Instruments an ein zu manipulierendes Gewebe. Hierbei kann es sich zum Beispiel um den in der 6 oben gezeigten Schritt handeln. In der gezeigten Variante wird das chirurgische Instrument 2 wiederholt entlang einer mit der Bezugsziffer 44 gekennzeichneten elliptischen oder parabolischen Trajektorie bewegt, wobei jeweils geprüft wird, ob die Bewegung des chirurgischen Instruments 2 eine Auswirkung auf die Geometrie des aufgeklappt Bereichs 31 des Kapselsacks 4 hat. Falls keine Veränderung des Gewebebereichs 31 beobachtet wird, wird in z-Richtung ein Offset der Bewegung in Richtung der Oberfläche 5 des Kapselsacks 4 hinzugefügt, also der Abstand zu dem Gewebebereich 31 bzw. der Oberfläche 5 verringert und die Bewegung bei diesem Abstand wiederholt. Die verschiedenen nacheinander ausgeführten Bewegungen sind durch die Trajektorien 44 gekennzeichnet.
Wenn eine Veränderung der Geometrie des Gewebebereichs 31 detektiert oder ermittelt wird, was vorliegend bei der Trajektorie 45 der Fall ist, wird die z-Position auf die entsprechende Höhe oder einen festgelegten geringeren Wert begrenzt und die Bewegung bei dieser Höhe bis zum Erreichen der geplanten Ausdehnung des Risses in lateraler Richtung fortgesetzt. Anschließend wird das chirurgische Instrument 2 von dem Gewebe 4 abgehoben. Wenn eine bestimmte, festgelegte oder angestrebte Verschiebung des Gewebebereichs 31 erreicht ist, kann ein nachfolgender Schritt geplant oder durchgeführt werden.
In der 9 ist mit der Bezugsziffer 46 ein angestrebter Angriffspunkt des chirurgischen Instruments 2 an dem Gewebe 4 gekennzeichnet. Mit der Bezugsziffer 45 ist die Trajektorie gekennzeichnet, bei welcher eine Bewegung des Gewebebereichs 31 ermittelt wurde. Beim Erreichen der Trajektorie 45 wird gleichzeitig die Bewegung in z-Richtung gestoppt und das Verfahren lediglich mit einer Bewegung in x-y-Richtung, also in lateraler Richtung, fortgesetzt.
Im Folgenden wird anhand der 10 und 11 eine Variante beschrieben, in welcher das chirurgische Instrument 2 teilweise manuell und teilweise automatisiert gesteuert wird. Die 10 und 11 zeigen jeweils schematisch ein in der Hand haltbares mechatronisch steuerbares chirurgisches Instrument 2, welches zum Beispiel ein Cystotome 51 zum Bürsten von Membranen mit einer Spitze 47 umfasst. Hierbei ist das chirurgische Instrument 2 in lateraler Richtung manuell steuerbar. Mittels einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung 1 oder einem erfindungsgemäßen robotischen Manipulator 12 wird die axiale Position, wie durch den Pfeil 48 in der 10 gekennzeichnet, automatisch eingestellt, beispielsweise auf einer Mikrometerskala. Die gezeigte Anordnung ist dazu ausgelegt, eine Bürstbewegung, wie in der 11 gezeigt, automatisch auszuführen. Hierzu können drei robotische Einrichtungen mit Abmessungen im Mikrometerbereich zur Steuerung der Bewegung der Spitze 47 des chirurgischen Instruments 2 in einem dreidimensionalen Raum unter Verwendung von drei Bewegungsfreiheitsgraden vorgesehen sein. Dabei kann eine Drehbewegung des Cystotome um den Punkt 50 vorgesehen sein.
Ein mittels der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung 1 ausgegebenes Feedbacks-Signal im Hinblick auf eine axiale Position einer Spitze eines chirurgischen Instruments kann einem Operateur auch als AR-Feedback (AR - Augmented Reality) zur Verfügung gestellt werden. Sobald sich der Reißpunkt des Gewebes bewegt, kann beispielsweise ein Bereich um die Spitze des chirurgischen Instruments 2 herum mit einer festgelegten Farbe, beispielsweise grün, eingefärbt angezeigt werden. Alternativ dazu kann auch der Reißpunkt selbst farbig angezeigt werden. Als zusätzliches Merkmal kann die angezeigte Farbe sich kontinuierlich verändern in Abhängigkeit von dem ermittelten Merkmal, welches einen Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument 2 und dem Gewebe 4 kennzeichnet. Beispielsweise kann eine erste Farbe, zum Beispiel rot, angezeigt werden, wenn kein Kontakt besteht und eine zweite Farbe, zum Beispiel grün, wenn ein guter Griff oder Kontakt erreicht ist. Ob ein Kontakt oder Griff gut ist oder nicht kann durch einen Vergleich zwischen der Bewegung der Spitze des chirurgischen Instruments 2 und der Bewegung des Reißpunktes ermittelt werden. Es ist zu berücksichtigen, dass die Distanz der Bewegung des chirurgischen Instruments 2 größer ist als die Distanz der Bewegung des Reißpunktes infolge der doppelten Lage des Kapselgewebes, also dem aufgeklappten Gewebebereich 31 und dem intakten Kapselgewebe 5.
Bezugszeichenliste:

1: Steuervorrichtung
2: chirurgisches Instrument
3: Steuerung
4: Gewebe
5: Gewebeoberfläche
6: Sensoreinrichtung
7: Auswertungseinrichtung
8: HMI
9: Signalübertragung
10: robotische Anordnung
11: Befestigungseinrichtung
12: robotischer Manipulator
13: Operationsmikroskop
21: optisches Erfassen von Bilddaten eines Bereichs eines Gewebes
22: basierend auf mittels der Sensoreinrichtung erfassten Bilddaten Ermitteln mindestens eines Merkmals des Gewebes in dem erfassten Bereich
23: Ausgabe von Feedback-Signalen basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal
24: Ermitteln und Ausgeben einer Trajektorie zur Steuerung der Bewegung des chirurgischen Instruments
30: Öffnung / Hornhaut
31: aufgeklappter Gewebebereich
32: Bewegung des chirurgischen Instruments
33: Reißpunkt
34: Fortsetzung des Reißpunktes
35: Reißpunkt
36: erster Bereich der Trajektorie
37: zweiter Bereich der Trajektorie
38: Bewegungsrichtung des aufgeklappten Gewebebereichs
39: Membran / Gewebe
40: Trajektorie
41: Trajektorie
42: Bereich mit sich wiederholendem Bewegungsmuster
43: Bereich mit sich wiederholendem Bewegungsmuster
44: Trajektorie
45: Trajektorie
46: Angriffspunkt
47: Spitze
48: steuerbare Bewegungsrichtung
49: robotische Einrichtung
50: Drehpunkt
51: Cystotome

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011 / 0 106 102 A1 [0007]
US 2017 / 0 312 431 A1 [0007]
US 2016 / 0 074 212 A1 [0007]
US 2007 / 0 151 390 A1 [0008]
US 2012 / 0 265 102 A1 [0008]
WO 2017 / 118949 A1 [0008]

Claims

Steuervorrichtung (1) zur Steuerung der Bewegung eines chirurgischen Instruments (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (1) eine Sensoreinrichtung (6), eine Auswertungseinrichtung (7) und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (8) umfasst, wobei die Sensoreinrichtung (6) zum optischen Erfassen von Bilddaten eines Bereichs eines Gewebes (4) ausgelegt ist, die Auswertungseinrichtung (7) basierend auf mittels der Sensoreinrichtung (6) erfassten Bilddaten ausgelegt ist zum Ermitteln mindestens eines Merkmals des Gewebes (4) in dem erfassten Bereich, wobei eine Veränderung des Merkmals einen Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument (2) und dem Gewebe (4) kennzeichnet, und die Mensch-Maschine-Schnittstelle (8) basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal, zur Ausgabe von Feedback-Signalen ausgelegt ist.
Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (7) basierend auf mittels der Sensoreinrichtung (6) erfassten Bilddaten und/oder basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal des Gewebes (4) und/oder basierend auf dem ausgegebenen Feedback-Signal zum Festlegen einer Trajektorie (32, 40, 41, 44) des chirurgischen Instruments (2) ausgelegt ist.
Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (1) basierend auf mittels der Sensoreinrichtung (6) erfassten Bilddaten und/oder basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal des Gewebes (4) und/oder basierend auf dem ausgegebenen Feedback-Signal zum Ausgeben einer Trajektorie (32, 40, 41, 44) für eine Bewegung des chirurgischen Instruments (2) ausgelegt ist, wobei die Trajektorie (32, 40, 41, 44) mindestens ein sich wiederholendes Bewegungsmuster (42, 43) umfasst, und/oder die Steuervorrichtung (1) zur Steuerung einer zumindest teilweise automatisierten Bewegung des chirurgischen Instruments (2) entlang einer festgelegten Trajektorie (32, 40, 41, 44) ausgelegt ist.
Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie (32, 40, 41, 44) einen stetigen Pfad entlang einer gedachten Fläche umfasst, wobei die Fläche konisch oder zylindrisch geformt ist und/oder der Pfad kreisförmige und/oder elliptische und/oder helikale und/oder parabolische und/oder hyperbolische und/oder lineare Teilbereiche aufweist.
Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie (32, 40, 41, 44) zumindest teilweise in einer Ebene liegt, wobei sich die Ebene senkrecht zu einer lateralen Ebene und/oder senkrecht zu einer Objektebene der Sensoreinrichtung (6) erstreckt.
Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, die Sensoreinrichtung (6) mindestens eine Kamera zum gleichzeitigen Erfassen einer Vielzahl an lateral angeordneten Bildpunkten und/oder eine Scanvorrichtung zum zeitsequenziellen Erfassen lateral angeordneter Bildpunkte umfasst.
Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mensch-Maschine-Schnittstelle (8) zur Eingabe eines lateralen Pfades der Bewegung des chirurgischen Instruments (2) ausgelegt ist.
Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (1) zur Differenzierung zwischen verschiedenen Arten eines Kontakts zwischen dem Gewebe (4) und dem chirurgischen Instrument (2) basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal ausgelegt ist.
Robotische Anordnung (10), welche mindestens ein robotisch führbares chirurgisches Instrument (2) und mindestens einen robotischen Manipulator (12) mit einer Befestigungseinrichtung (11) zur Befestigung des chirurgischen Instruments (2) an dem robotischen Manipulator (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die robotische Anordnung (10) eine Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, welche zur Steuerung der Bewegung des chirurgischen Instruments (2) mittels des robotischen Manipulators (12) ausgelegt ist.
Robotische Anordnung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der robotische Manipulator (12) mindestens 3 Bewegungsfreiheitsgrade zur Manipulation aufweist und die Steuervorrichtung (1) zur Steuerung der Bewegung des chirurgischen Instruments (2) mittels der mindestens 3 Bewegungsfreiheitsgrade des robotischen Manipulators (12) ausgelegt ist.
Robotische Anordnung (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die robotische Anordnung (10) so ausgelegt ist, dass als ein Bezugspunkt für eine Bewegung des chirurgischen Instruments (2) ein Eintrittspunkt in ein bestimmtes Gewebe festgelegt oder festlegbar ist, wobei die laterale Position des chirurgischen Instruments (2) mit einer Winkelausrichtung des chirurgischen Instruments (2) oder des robotischen Manipulators (12) und die axiale Position des chirurgischen Instruments (2) mit einer Eintrittstiefe des chirurgischen Instruments (2) oder des robotischen Manipulators (12) durch den Eintrittspunkt korrespondiert.
Robotische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die robotische Anordnung (10) zum Unterbrechen einer Bewegung des chirurgischen Instruments (2) ausgelegt ist, falls ein Kontakt zwischen dem Gewebe (4) und dem chirurgischen Instrument (2) ermittelt wird, und/oder die robotische Anordnung (10) zum Aufrechterhalten einer axialen Bewegung des chirurgischen Instruments (2) bei einer gleichzeitigen lateralen Bewegung des chirurgischen Instruments (2) entlang eines durch einen Operateur festlegbaren lateralen Pfades ausgelegt ist.
Robotische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die robotische Anordnung (10) zu einem teilautomatisierten oder vollautomatisierten Betrieb ausgelegt ist, wobei die lateralen Anteile einer Trajektorie (32, 40, 41, 44) des chirurgischen Instruments (2) basierend auf mittels der Sensoreinrichtung (6) erfassten Daten steuerbar sind, wobei ein Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument (2) und dem Gewebe (4) während einer Durchführung einer Bewegung des chirurgischen Instruments (2) mit einem sich wiederholenden Bewegungsmuster (42, 43) aufrechterhalten wird.
Robotische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das chirurgische Instrument (2) mittels der Mensch-Maschine-Schnittstelle (8) bezüglich seiner lateralen Bewegung in Bezug auf das Gewebe (4) oder die Gewebeoberfläche (5) durch einen Nutzer steuerbar ist, während eine axiale oder mediale Bewegung des chirurgischen Instruments (2) in Bezug auf das Gewebe (4) oder die Gewebeoberfläche (5) automatisiert steuerbar ist, und/oder die Mensch-Maschine-Schnittstelle (8) eine Planungsfunktion umfasst, mittels welcher basierend auf mittels der Sensoreinrichtung (6) erfassten lateralen Positionsdaten ein zu behandelnder Gewebebereich festlegbar ist, und die robotische Anordnung (10) dazu ausgelegt ist, einen festgelegten chirurgischen Schritt zumindest teilautomatisiert basierend auf mittels der Sensoreinrichtung (6) erfassten Daten bezüglich eines Kontakts zwischen dem chirurgischen Instrument (2) und dem Gewebe (4) auszuführen, und/oder die Mensch-Maschine-Schnittstelle (8) zur Ausgabe von Informationen zur Assistenz ausgelegt ist.
Robotische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die robotische Anordnung (10) während der Ausführung einer chirurgischen Maßnahme zwischen zwei Betriebsmodi umschaltbar ist, wobei in einem ersten Betriebsmodus das chirurgische Instrument (2) und das Gewebe (4) im Kontakt sind und in einem zweiten Betriebsmodus das chirurgische Instrument (2) und das Gewebe (4) nicht im Kontakt sind.
Robotische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die robotische Anordnung (10) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung des Gewebes (4) zu erfassen und im Falle einer erfassten Bewegung des Gewebes (4) mindestens das chirurgische Instrument (2) der erfassten Bewegung nachzuführen.
Operationsmikroskop (13), welches eine Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eine robotische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 16 umfasst.
Verfahren zum Steuern der Bewegung eines chirurgischen Instruments (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: - optisches Erfassen von Bilddaten (21) eines Bereichs eines Gewebes (4) mittels einer Sensoreinrichtung (6), - Ermitteln mindestens eines Merkmals (22) des Gewebes (4) in dem erfassten Bereich unter Verwendung einer Auswertungseinrichtung (7), wobei das mindestens eine Merkmal des Gewebes (4) basierend auf mittels der Sensoreinrichtung (6) erfassten Bilddaten ermittelt wird und wobei eine Veränderung des Merkmals einen Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument (2) und dem Gewebe (4) kennzeichnet, - Ausgeben von Feedback-Signalen (23) basierend auf dem mindestens einen ermittelten Merkmal mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (8).