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WO2024018011A1 - Steuervorrichtung und system, sowie system mit einem medizinischen operationsinstrument, einer datenerfassungsvorrichtung und einer datenverarbeitungseinrichtung - Google Patents

Steuervorrichtung und system, sowie system mit einem medizinischen operationsinstrument, einer datenerfassungsvorrichtung und einer datenverarbeitungseinrichtung Download PDF

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Publication number
WO2024018011A1
WO2024018011A1 PCT/EP2023/070175 EP2023070175W WO2024018011A1 WO 2024018011 A1 WO2024018011 A1 WO 2024018011A1 EP 2023070175 W EP2023070175 W EP 2023070175W WO 2024018011 A1 WO2024018011 A1 WO 2024018011A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
instrument
control device
designed
axis
information
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/070175
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Huber
Chunman Fan
Mirko KUNZE
Kirsten Klein
Lena Felber
Thorsten Ahrens
Hans-Georg Mathé
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karl Storz SE and Co KG
Original Assignee
Karl Storz SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102022118330.0A external-priority patent/DE102022118330A1/de
Priority claimed from DE102022118328.9A external-priority patent/DE102022118328A1/de
Application filed by Karl Storz SE and Co KG filed Critical Karl Storz SE and Co KG
Publication of WO2024018011A1 publication Critical patent/WO2024018011A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/74—Manipulators with manual electric input means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B34/30—Surgical robots
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    • A61B2034/2048—Tracking techniques using an accelerometer or inertia sensor
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2055—Optical tracking systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B2034/302—Surgical robots specifically adapted for manipulations within body cavities, e.g. within abdominal or thoracic cavities
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/74—Manipulators with manual electric input means
    • A61B2034/742—Joysticks

Definitions

  • Control device and system as well as system with a medical surgical instrument, a data acquisition device and a data processing device
  • the present invention relates to a control device and a system with a control device, a first instrument, a second instrument and a motor control unit for positioning the second instrument.
  • voice control As a control mechanism. This technology is very popular in certain markets (e.g. USA), but is being used in other regions This method is used less frequently. Voice control has a certain inaccuracy and delay. In addition, only one degree of freedom can be controlled at any given time. In addition, communication in the operating room must be subordinate to the voice-controlled system when the robot arm is repositioned.
  • gesture tracking Hands-free control of the robot arm is recorded, for example, with a headband that has an infrared receiver. When the surgeon nods his head, the receiver detects the movement and commands the arm to reposition the endoscope accordingly.
  • the object is achieved by a control device with a first, optical sensor and a second sensor with an acceleration sensor and / or a gyroscope, the optical sensor being designed to provide first information about a first, translational and rotational component of a displacement a first, manually displaceable instrument relative to the optical sensor, and the second sensor is designed to detect a second piece of information about a second component of the displacement of the first instrument, the second component being a roll, pitch and yaw of the first instrument , wherein the control device is designed to send the first and second information for positioning a second instrument, so that the second instrument is displaced corresponding to the first instrument.
  • Such a control device enables the user with an instrument, the first instrument that he is already operating, to move the instrument as desired.
  • the reaction of the second instrument takes place immediately and in accordance with the displacement of the first instrument, so that the user achieves an intuitive and direct displacement of the second instrument by displacing the first instrument.
  • the first and second information is sent, in particular directly or indirectly, to a motor control unit which is designed to position the second instrument.
  • control device has a continuous passage which is designed to accommodate a shaft of the first instrument.
  • This configuration enables a defined interaction between the control device and the first instrument.
  • the optical sensor is arranged such that light reflected from the first instrument reaches the optical sensor.
  • This configuration makes it possible to reliably detect the translational and rotational components of the displacement of the first instrument.
  • the passage is in the field of vision of the optical sensor.
  • control device has a light source which is designed to emit light to illuminate a shaft of the first instrument.
  • This configuration makes it possible to reliably detect the translational and rotational components of the displacement of the first instrument.
  • the light is emitted in particular in the direction of the passage and is at least partially reflected there by a shaft of the first instrument in the direction of the optical sensor.
  • the light is emitted with a structured pattern.
  • This configuration makes it possible to reliably detect the translational and rotational components of the displacement of the first instrument.
  • the optical sensor is arranged in a hermetically sealed housing with a translucent pane.
  • This configuration makes it possible for the optical sensor to be protected from external influences, but still be able to detect or observe the translational and rotational components of the displacement of the first instrument.
  • This disk is preferably either arranged at a certain angle to the surface of the optical sensor or provided with an anti-reflective coating of 800 to 900 nm in order to prevent reflections from the disk from disturbing the optical sensor.
  • control device has an actuating device, the control device being designed to cause a displacement of the second instrument when the first instrument is displaced when the actuating device is in an activated state and to cause no displacement of the second instrument when the first instrument is displaced in a deactivated state to cause the second instrument to be relocated.
  • This embodiment allows the user to easily switch to a first operating mode in order to relocate the second instrument using the first instrument, or to switch to a second operating mode in order to work with the first instrument without displacing the second instrument.
  • the user can first position an endoscope with a camera using the first instrument in the first operating mode, then work with the first instrument in the second operating mode, then reposition the endoscope again in the first operating mode, and so on.
  • control device has a configuration device which is designed to apply a factor to the first and/or the second information, so that a displacement of the first instrument with respect to one or more degrees of freedom results in a displacement of the second instrument a factor is applied to this or these degrees of freedom.
  • This embodiment makes it possible to configure a translation of the first displacement into the second displacement. For example, if insertion of the first instrument should only lead to a smaller insertion of the second instrument, a positive factor smaller than 1 can be set for this degree of freedom. If a shift in the first instrument is generally intended to lead to smaller shifts in the second instrument, a factor smaller than 1 is chosen for all degrees of freedom. If a shift in the first instrument is generally intended to lead to larger shifts in the second instrument, a factor greater than 1 is chosen for all degrees of freedom. Using a negative factor, a mirror image translation can be chosen for one or more degrees of freedom if desired by the user.
  • the control device further has an instrument trocar to which the control device is fixed.
  • This configuration enables a defined interaction between the control device and the first instrument.
  • a first reference coordinate system of the first instrument is formed from three axes perpendicular to one another in pairs, with a z-axis of the three axes being directed from a distal end of the first instrument towards a proximal end of the first instrument, an x-axis of the three axes follows the earth's gravitational field and one y-axis of the three axes is perpendicular to the x-axis and the z-axis.
  • This configuration enables a practical and computationally easy to implement definition of the first reference coordinate system of the first instrument.
  • a second reference coordinate system of the second instrument is formed from three axes perpendicular to one another in pairs, with a z-axis of the three axes being directed from a distal end of the second instrument towards a proximal end of the second instrument, an x-axis of the three axes follows the earth's gravitational field and one y-axis of the three axes is perpendicular to the x-axis and the z-axis.
  • This configuration enables a practical and computationally easy to implement definition of the second reference coordinate system of the second instrument.
  • Embodiments of a preferred specific embodiment are described below, and individual elements of this embodiment can also be selectively combined with the previously generally described control device.
  • a sensor unit is positioned in the vicinity of an instrument trocar and is kinetically coupled to it, the instrument trocar being designed to accommodate the first instrument.
  • the sensor unit has an optical sensor, in particular a tracking sensor, and a 3-axis accelerometer and/or a 3-axis gyroscope.
  • the optical tracking sensor is arranged to provide a direct optical access path to the instrument shaft when the first instrument is inserted into the instrument trocar while the sensor is enclosed in a hermetic housing.
  • the accelerometer and/or the gyroscope record the absolute roll and pitch movement as well as the relative yaw movement of the sensor unit and thus of the instrument trocar.
  • the optical tracking sensor records the translation and rotation of the first instrument.
  • This sensor has a laser-based light source that projects a pattern onto the surface of the instrument shaft of the first instrument.
  • the hermetic housing of the optical tracking sensor has a glass window that provides the optical access path to the instrument shaft. This window is preferably either arranged at a certain angle to the surface of the sensor or provided with an anti-reflective coating of 800 to 900 nm to prevent reflections from the glass from interfering with the sensor.
  • control device or system has an activation method that signals when the user starts the endoscope control mode.
  • This activation method can be, for example, a foot switch, a button on the instruments or voice control.
  • the second instrument here a robot arm with an endoscope
  • the first instrument which precisely defines how the endoscope and the camera are positioned relative to the endoscope positioner, here the robot arm.
  • the inclination of the first instrument can be easily translated into the inclination of the second instrument or the endoscope, and the translation of the instrument shaft can be mapped to a translation of the second instrument or the endoscope.
  • this sensor arrangement has no information about the absolute orientation of the first instrument in the horizontal plane or about how the first instrument is positioned in relation to the second instrument or the endoscope or how the user or surgeon relates to the first instrument or the second instrument, here the endoscope. Therefore, a direct association between the movement of the first instrument and the second instrument is not possible. Therefore, the first information and second information mentioned are recorded and serve as the basis for a calculation as to which movement of the first instrument leads to an endoscope movement to the right or to the left.
  • the proposed mapping method which is applicable to all embodiments described in this disclosure, does not require user calibration or additional sensors. Instead, the gravity vector and instrument axis are used to calculate the left-right direction according to the right-hand rule.
  • the axis of gravity can be represented using the thumb and the direction of insertion of the instrument using the index finger. Then it will Direction in which the middle finger points is considered to be right.
  • the camera moves to the right side of the image. Accordingly, the direction of rotation can also be determined using the right-hand rule.
  • the thumb can point in the direction of insertion. Then the curved fingers point in the direction that causes the image on the screen to rotate clockwise.
  • Such observations can be carried out in both a Cartesian and a spherical coordinate system.
  • the sensor unit forms a spherical coordinate system, in the center of which the sensor unit is located (position or horizontal orientation of the sensor unit are irrelevant).
  • the tip of the first instrument can be viewed as a point in the coordinate system, the instrument shaft as its vector. Moving the tip in the positive direction of the azimuth unit vector causes the image to move leftward, moving in the direction of the positive polar angle unit vector causes the image to move downward. Moving the tip in the positive direction of the radius unit vector causes a zoom movement.
  • mapping method was not chosen arbitrarily, but was identified as preferred because it is based on the surgeon's daily experience. If the first instrument were actually an endoscope with a camera, it would move the image on the screen in the same way that this mapping method does when the surgeon uses the first instrument to control the image rather than the endoscope directly. This will simplify the learning process for trained surgeons.
  • the mapping method is based on the instrument itself. Every person in the operating room can understand which instrument movement on the first instrument causes which endoscope movement, i.e. movement of the second instrument. This allows everyone in the operating room to easily control the system, regardless of their positioning in relation to the monitor, the first instrument and second instrument or the endoscope or the camera.
  • the object is achieved by a system with a previously described control device, a first instrument, a second instrument and a motor control unit for positioning the second instrument.
  • the first instrument is designed to be guided in an instrument trocar.
  • the second instrument is an endoscope, the endoscope in particular having a camera.
  • the present invention also relates to a system with a medical surgical instrument, a data acquisition device and a data processing device.
  • a system is proposed with a medical surgical instrument which is designed to be hand-held by the surgeon at least temporarily during an operation, a data acquisition device and a data processing device, the data acquisition device having a pose detector which is designed to repeatedly provide pose information for the surgical instrument to capture, wherein the pose information has at least one position or orientation information, and to send it to the data processing device, and wherein the data processing device is designed to process the pose information and support the implementation or documentation of the operation.
  • the pose detector can be designed as a separate device that can be detachably fixed to the surgical instrument.
  • the pose detector can also be an integrated part of a motor-operated device. This device can already have one or more detectors that determine and, if necessary, monitor a pose of the device and thus of the surgical instrument in space.
  • the pose detector can also be formed inherently by the motor-operated device.
  • a device in particular a motorized robot arm, can assume specific positions in space through specific positioning positions of at least one motor. If the position of the device is now changed manually, the position of the at least one motor also changes, which in turn allows conclusions to be drawn about the current pose of the surgical instrument.
  • the known causality that a desired, specific position is specified is specified, the positioning position of the at least one motor is controlled and the specific position is thus established in the space of the motor-operated device is reversed.
  • the position in space now becomes a selectable parameter that specifies the position of the at least one motor, from which the position in space can be determined.
  • One aspect of the present invention addresses a topic that the inventors have identified in connection with the present invention.
  • This topic will be referred to below as a data gap, especially as a data gap for manual operation steps.
  • this concerns one or more elements from the group comprising the type of instrument used, the instrument position, the change in the instrument position, the instrument condition, the instrument use, the useful life of an instrument, the camera position, the change in the camera position, the relative position between camera(s) and Instrument(s), the relative movement between camera(s) and instruments ⁇ ), the relative acceleration between camera(s) and instrument(s), collisions between camera(s) and/or instruments(s).
  • procedure-related data collected on the robot can be used to generate medically and economically relevant added value.
  • the invention can advantageously reduce or close these data gaps during the manual phases at the operating table.
  • a sensor unit is attached to the trocar and kinetically coupled to record the instrument position in the operating room. This can be done with any number of trocars.
  • a digital image of reality can be created, as when used on a surgical robot, and captured and saved for further processing.
  • Possible applications include the following aspects: automated documentation, recognition of phases during the operation, detection of emergency situations, for example through an instrument movement, monitoring of registered pivot points, evaluations for training purposes, integration of expert systems and retrieval or control of exact positions, e.g. when changing from robotic guidance to manual guidance or vice versa.
  • a security feature can be implemented, which allows, for example, restricted areas to be defined.
  • a partially robotically manipulated instrument cannot be moved into these impermissible areas, even when operated manually, or can only be moved against increased resistance. This is achieved by appropriately controlling a motorized robot arm, which is part of a surgical robot or telemanipulator.
  • Another aspect of the present invention addresses another topic that the inventors have recognized in connection with the present invention.
  • This topic will be referred to below as an input unit, in particular as an input unit for controlling an endoscope on the operating table.
  • a table-based input system for camera control should temporarily replace the input on the console, so that the full range of functions of the robot for camera control, including automatic, can still be used at the operating table Tracking is available.
  • a device and a method are therefore proposed in which, via the console of the telemanipulator as well as the evaluation of the input on the laparoscopic instrument, a robotically guided endoscope can be controlled in parallel by the console of the telemanipulator as well as the evaluation of the input on the laparoscopic instrument e.g. controlling the endoscope on the robot using a manual instrument.
  • Another aspect of the present invention addresses another topic that the inventors have recognized in connection with the present invention.
  • This topic will be referred to below as a security system, in particular as a redundant security system.
  • a requirement for the approval of a medical device is an adequate safety concept. For critical functions, this is usually based on a redundant design. Arm and instrument positions are currently primarily recorded and calculated via the sensors in the robot arm joints.
  • a sensor system in particular a sensor system that is arranged near a trocar or near an puncture site, enables an independent additional measurement modality, so that the sensors can be used to monitor a safety system of a surgical robot.
  • shear forces can be recorded in the registered trocar point, which can occur when the position or registration of the pivot point or the puncture site changes. Such a situation can occur, for example, due to a movement of the patient.
  • a sensor system in particular a sensor system that is arranged near a trocar or near an puncture site, in order to compare the actual and target values of the kinematics of the surgical robot, in particular of at least one arm joint position of the surgical robot, to be able to carry out.
  • this further data collection does not take place in the instrument itself.
  • the detection is essentially limited to the tip of the instrument, so that, for example, an absolute position cannot be easily detected - however, only immediate variables such as forces, temperature, etc. can be detected. Instead, the data collection here is carried out in particular at a pivot point or through a passive holder.
  • One or more of the following values are preferably determined: absolute position, relative position in combination with the current image from the camera, movement curves, kinematics, dynamics and forces.
  • the latter can be calculated in particular from a combination of image and absolute position, e.g. how much an instrument bends under the weight of the liver.
  • the data processing device is designed to determine the operator's movement patterns.
  • the surgeon i.e. the person who operates the instrument that is monitored with regard to the pose, is observed or accompanied as he works with the surgical instrument.
  • conclusions can be drawn about the current condition of the surgeon, the so-called “surgeon mood”.
  • the surgical instrument can be freely hand-held or coupled to a motor device in which the surgeon can guide the surgical instrument essentially without resistance.
  • the data processing device is designed to detect a tremor in the guidance of the instrument.
  • Intentional rhythmic movements can be identified, e.g. based on their frequency or deflection, and can be differentiated from any tremor caused by the surgeon.
  • the identification of a tremor can, for example, indicate a strenuous position of the instrument or tension on the part of the surgeon and can be signaled to the surgeon or another person.
  • the data processing device is designed to detect signs of stress and/or hecticness in the surgeon.
  • Both absolute limit values e.g. too high a movement speed, excessive deflection, driving into impermissible areas or rooms, etc., as well as relative changes to an empirically determined movement pattern of the operator or a group of operators can be determined. For example, this can increased speed, excessive movements or deviation from usual routes or spaces, etc., can be a sign of stress. This can be signaled to the surgeon or another person.
  • the data processing device is designed to detect signs of tiredness in the surgeon.
  • Movement dynamics that are too slow or reaction times that are too long can indicate that the surgeon has become tired.
  • absolute limit values e.g. a movement speed that is too low, remaining in a position for too long without doing any activity, etc., as well as relative changes to an empirically determined movement pattern of the surgeon or a group of surgeons can be determined.
  • the data processing device is designed to determine a three-dimensional camera position even if only a two-dimensional image is available.
  • the additional information recorded means that measurements, e.g. distance, distance or area measurements, can be made even in a two-dimensional image.
  • measurements e.g. distance, distance or area measurements
  • it can also be warned that critical structures may be affected or, if the movement continues, will be affected. In this way, possible collisions or ruptures can be warned.
  • resistance to a potentially dangerous movement can also be built up or the movement can be blocked by appropriately controlling a robot arm.
  • the data processing device is designed to control the image tracking of a camera.
  • the image tracking can be carried out in particular by a combination of image recognition and the pose information, in particular position data, so that the surgeon has the areas relevant to him in view. It can also be ensured that all instruments are displayed in the visible image section. Alternatively, the position of instruments that are not visible can be shown in an expanded display.
  • the data processing device is designed to determine a usage model.
  • the determined usage model or operator model can include a technical load measurement of the instruments, which allows predictions to be made about the service life or remaining service life of one or more instruments. Typical movement data of the surgeon can also be determined and/or a cleaning intensity can be determined.
  • the data processing device is designed to create a learning curve analysis from movement data.
  • the data processing device is designed to support a non-surgeon.
  • non-surgeon should be understood as a person who does not lead or significantly design the medical procedure.
  • This can in particular be an assisting person, e.g. assistant at the table.
  • the data processing device can thus control image processing in which the position of his instrument is displayed to the assistant, especially if the instrument cannot be seen in the image representation currently desired by the surgeon. A hidden direction that cannot be seen in the image can also be displayed.
  • the assistant can be supported in capturing or picking up an instrument with the camera at the trocar exit and accompanying the instrument in returning it to the target structure.
  • the data processing device is designed to automatically create reports and/or carry out a workflow analysis
  • the movement data is used to automatically divide the intervention into different phases. On the one hand, this can occur after the completion of an operation (post-op). In particular, an automated operation report can be created and/or it can be documented by stitching several images that the entire site has been inspected. On the other hand, workflows can also be optimized during the operation (intra-operation), such as determining the time for ordering the next patient. There may be delays in the operation Comparison to the average values of the hospital can be determined and, based on such a determination, a possible automated adjustment of the operation plan can be made.
  • the data processing device is designed to control a desired pose of the surgical instrument.
  • an instrument position can be controlled again when changing from a hand-held guidance to a robotic guidance.
  • a camera position can also be assumed again in a similar way.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a control device as part of an embodiment of a system.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a control device 10, which is part of a system 60, which also has a first instrument 16, a second instrument 24 and a motor control unit 22 for positioning the second instrument 24.
  • the first instrument 16 is designed to be guided in an instrument trocar 40.
  • the second instrument 24 here is an endoscope 54, the endoscope 54 in particular having a camera 56.
  • the control device 10 is detachably fixed to the instrument trocar 40.
  • the control device 10 has a first, optical sensor 12 and a second sensor 14 with an acceleration sensor and / or a gyroscope, the optical sensor 12 is designed to record first information about a first, translational and rotational component 18 of a displacement of a first, manually displaceable instrument 16 relative to the optical sensor 12.
  • the second sensor 14 is designed to detect second information about a second component 20 of the displacement of the first instrument 16, the second component 20 being a roll, pitch and yaw of the first instrument 16.
  • the control device 10 is designed to send the first and second information to the motor control unit 22 for positioning a second instrument 24, so that the second instrument 24 is displaced corresponding to the first instrument 16.
  • the second instrument 24 is detachably fixed to the motor control unit 22.
  • the control device 10 has a continuous passage 26, which is designed to accommodate a shaft 28 of the first instrument 16, in particular in a form-fitting manner with respect to the circumference of the shaft 28.
  • the optical sensor 12 is arranged such that light reflected by the first instrument 16 58 reaches the optical sensor 12.
  • the optical sensor 12 is arranged in a hermetically sealed housing 32 with a translucent disk 34.
  • the light 56 comes in particular from a light source 30, which is designed to emit light 56 for illuminating a shaft 28 of the first instrument 16.
  • the light 56 is emitted in particular with a structured pattern.
  • the control device 10 has an actuating device 36, wherein the control device 10 is designed to cause a displacement of the second instrument 24 when the actuating device 36 is in an activated state when the first instrument 16 is displaced and in a deactivated state when the first instrument is displaced 16 does not cause any displacement of the second instrument 24.
  • the control device 10 also has a configuration device 38, which is designed to apply a factor to the first and/or the second information, so that a displacement of the first instrument 16 with respect to one or more degrees of freedom results in a displacement of the second instrument 24 regarding this or these degrees of freedom, which is subjected to a factor.
  • a first reference coordinate system 42 of the first instrument 16 is formed from three axes perpendicular to one another in pairs, a z-axis of the three axes being directed from a distal end 44 of the first instrument 16 towards a proximal end 46 of the first instrument 16, an x-axis Axis of the three axes follows the earth's gravitational field G and a y-axis of the three axes is perpendicular to the x-axis and the z-axis.
  • a second reference coordinate system 48 of the second instrument is formed from three axes perpendicular to one another in pairs, with a z-axis of the three axes directed from a distal end 50 of the second instrument 24 towards a proximal end 52 of the second instrument 24, an x-axis of the three axes follows the earth's gravitational field G and one y-axis of the three axes is perpendicular to the x-axis and the z-axis.
  • the motor control unit 22 has a processing unit 62, here a microprocessor, and a memory 64.
  • the memory 64 has instructions with which, when these instructions are executed by the processing unit 62, control commands for the motor control unit 22 are determined from the first and second information.
  • control device A preferred programmatic implementation of the control by the control device is described below. It is assumed here that a camera of an endoscope, which represents the second instrument, is controlled by means of the first instrument, here in the function of a joystick. When this type of control is active, the system is in a camera control mode (KSM). Variables that are assigned to the camera have the identifier “cam”. Variables that are assigned to the joystick have the identifier “joy”.
  • KSM camera control mode
  • the z-axis is defined by the instrument and points from the tip of the instrument to the handle. In principle, this axis can be mathematically assigned a negative sign, which results in a reversal of direction.
  • the orientation suggested here is standard in camera technology; see in particular the so-called LookAt function.

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Abstract

Steuervorrichtung (10) mit einem ersten, optischen Sensor (12) und einem zweiten Sensor (14) mit einem Beschleunigungssensor und/oder einem Gyroskop, wobei der optische Sensor (12) dafür ausgebildet ist, eine erste Information über eine erste, translatorische und rotatorische Komponente (18) einer Verlagerung eines ersten, manuell verlagerbaren Instruments (16) relativ zum optischen Sensor (12) zu erfassen, und der zweite Sensor (14) dafür ausgebildet ist, eine zweite Information über eine zweite Komponente (20) der Verlagerung des ersten Instruments (16) zu erfassen, wobei die Steuervorrichtung (10) dafür ausgebildet ist, die erste und die zweite Information zur Positionierung eines zweiten Instruments (24) zu senden, so dass das zweite Instrument (24) korrespondierend zum ersten Instrument (16) verlagert wird. Ferner werden ein System (60) mit einer Steuervorrichtung (10), einem ersten Instrument (16), einem zweiten Instrument (24) und einer motorischen Steuereinheit (22) zur Positionierung des zweiten Instruments (24), sowie ein System mit einem medizinischen Operationsinstrument offenbart.

Description

Steuervorrichtung und System, sowie System mit einem medizinischen Operationsinstrument, einer Datenerfassungsvorrichtung und einer Datenverarbeitungseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung und ein System mit einer Steuervorrichtung, einem ersten Instrument, einem zweiten Instrument und einer motorischen Steuereinheit zur Positionierung des zweiten Instruments.
In der Medizintechnik gibt es mehrere etablierte Methoden zur Steuerung eines Robotersystems. Dazu zählt beispielsweise ein Joystick, der mit einer Schraube an einem Gerät befestigt ist. Diese Art der Steuerung wird hauptsächlich für die Steuerung eines Roboterarms verwendet, der wiederum ein Endoskop positioniert. Es kann jedoch unbequem sein, den Joystick zu erreichen, und die Steuerung des Endoskops fühlt sich unnatürlich an.
Andere Robotersysteme nutzen eine Sprachsteuerung als Steuermechanismus. Diese Technologie ist in bestimmten Märkten (z.B. USA) sehr beliebt, aber in anderen Regionen wird diese Methode seltener eingesetzt. So hat die Sprachsteuerung eine bestimmte Ungenauigkeit und Verzögerung. Zudem kann zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Freiheitsgrad gesteuert werden kann. Außerdem muss sich die Kommunikation im Operationssaal dem sprachgesteuerten System unterordnen, wenn der Roboterarm neu positioniert wird.
Eine weitere Möglichkeit bietet die Gestenverfolgung. Dabei wird eine freihändige Steuerung des Roboterarms zum Beispiel mit einem Kopfband erfasst, das einen Infrarotempfänger aufweist. Wenn der Chirurg mit dem Kopf nickt, erfasst der Empfänger die Bewegung und befiehlt dem Arm, das Endoskop entsprechend neu zu positionieren.
Es ist auch möglich, Algorithmen für bildgebende Verfahren zu verwenden, die die Spitze eines Instruments identifizieren. Der Roboter bewegt das Instrument, insbesondere ein Endoskop, so, dass diese Spitze im Bild zentriert wird. Die auf der Videosequenzanalyse basierende Steuerung des Endoskops ist jedoch eine Herausforderung, denn die automatische Objekterkennung im Bild ist ein sehr schwieriges Thema, und ein deterministisches Verhalten der Endoskopsteuerung kann in komplexen Situationen nicht immer gewährleistet werden.
Schließlich gibt es eine neue Methode namens "Eye Tracking", die intelligente Brillen (z.B. Augmented-Reality-Brillen) verwendet, um die Bewegungen des Auges des Chirurgen zu verfolgen, das beabsichtigte Sichtziel zu lokalisieren und die Tracking-Informationen als Befehle zur Neupositionierung des Roboterarms oder motorisierten Endoskophalters zu interpretieren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Steuervorrichtung und ein verbessertes System aufzuzeigen, die dem Benutzer eine intuitive Steuerung ermöglichen.
Die Aufgabe wird nach einem Aspekt gelöst durch eine Steuervorrichtung mit einem ersten, optischen Sensor und einem zweiten Sensor mit einem Beschleunigungssensor und/oder einem Gyroskop, wobei der optische Sensor dafür ausgebildet ist, eine erste Information über eine erste, translatorische und rotatorische Komponente einer Verlagerung eines ersten, manuell verlagerbaren Instruments relativ zum optischen Sensor zu erfassen, und der zweite Sensor dafür ausgebildet ist, eine zweite Information über eine zweite Komponente der Verlagerung des ersten Instruments zu erfassen, wobei die zweite Komponente ein Rollen, Nicken und Gieren des ersten Instruments ist, wobei die Steuervorrichtung dafür ausgebildet ist, die erste und die zweite Information zur Positionierung eines zweiten Instruments zu senden, so dass das zweite Instrument korrespondierend zum ersten Instrument verlagert wird. Eine solche Steuervorrichtung ermöglicht es dem Benutzer mit einem Instrument, dem ersten Instrument, welches er ohnehin bereits bedient, das Instrument wie gewünscht zu verlagern. Die Reaktion des zweiten Instruments erfolgt dabei unmittelbar und entsprechend der Verlagerung des ersten Instruments, so dass der Benutzer durch die Verlagerung des ersten Instruments eine intuitive und direkte Verlagerung des zweiten Instruments erzielt. Dabei wird die erste und die zweite Information insbesondere direkt oder indirekt an eine motorische Steuereinheit gesendet, die zur Positionierung des zweiten Instruments ausgebildet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung eine durchgehende Passage auf, die dafür ausgebildet ist, einen Schaft des ersten Instruments aufzunehmen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht ein definiertes Zusammenspiel zwischen der Steuervorrichtung und dem ersten Instrument.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der optische Sensor derart angeordnet, dass ein von dem ersten Instrument reflektiertes Licht zum optischen Sensor gelangt.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die translatorische und rotatorische Komponente der Verlagerung des ersten Instruments zuverlässig zu erfassen. Dabei liegt insbesondere die Passage im Sichtfeld des optischen Sensors.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung eine Lichtquelle auf, die dafür ausgebildet ist, Licht zur Beleuchtung eines Schafts des ersten Instruments abzustrahlen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die translatorische und rotatorische Komponente der Verlagerung des ersten Instruments zuverlässig zu erfassen. Dabei wird das Licht insbesondere in Richtung der Passage abgestrahlt und dort von einem Schaft des ersten Instruments zumindest teilweise in Richtung des optischen Sensors reflektiert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Licht mit einem strukturierten Muster abgestrahlt.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die translatorische und rotatorische Komponente der Verlagerung des ersten Instruments zuverlässig zu erfassen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der optische Sensor in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse mit einer lichtdurchlässigen Scheibe angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, dass der optische Sensor vor äußeren Einflüssen geschützt ist, aber dennoch die translatorische und rotatorische Komponente der Verlagerung des ersten Instruments erfassen bzw. beobachten kann. Diese Scheibe ist bevorzugt entweder in einem bestimmten Winkel zur Oberfläche des optischen Sensors angeordnet oder mit einer Antireflexbeschichtung von 800 bis 900 nm versehen, um zu verhindern, dass Reflexionen der Scheibe den optischen Sensor stören.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung eine Betätigungsvorrichtung auf, wobei die Steuervorrichtung dafür ausgebildet ist, in einem aktivierten Zustand der Betätigungsvorrichtung bei einer Verlagerung des ersten Instruments eine Verlagerung des zweiten Instruments zu bewirken und in einem deaktivierten Zustand bei einer Verlagerung des ersten Instruments keine Verlagerung des zweiten Instruments zu bewirken.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es dem Benutzer auf einfache Weise in einen ersten Betriebsmodus zu wechseln, um das zweite Instrument mittels des ersten Instruments zu verlagern, oder in einen zweiten Betriebsmodus zu wechseln, um mit dem ersten Instrument zu arbeiten ohne das zweite Instrument zu verlagern. So kann der Benutzer beispielsweise zunächst im ersten Betriebsmodus ein Endoskop mit einer Kamera mittels des ersten Instruments positionieren, danach im zweiten Betriebsmodus mit dem ersten Instrument arbeiten, dann wieder im ersten Betriebsmodus das Endoskop neu positionieren, und so weiter.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung eine Konfigurationsvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, die erste und/oder die zweite Information mit einem Faktor zu beaufschlagen, so dass eine Verlagerung des ersten Instruments bzgl. eines oder mehrerer Freiheitsgrade in einer Verlagerung des zweiten Instruments bzgl. dieses oder dieser Freiheitsgrade mit einem Faktor beaufschlagt erfolgt.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, eine Übersetzung der ersten Verlagerung in die zweite Verlagerung zu konfigurieren. Soll beispielsweise ein Einführen des ersten Instruments nur zu einer geringeren Einführung des zweiten Instruments führen, kann für diesen Freiheitsgrad ein positiver Faktor kleiner als 1 eingestellt werden. Soll eine Verlagerung des ersten Instruments generell zu geringeren Verlagerungen des zweiten Instruments führen, so wird für alle Freiheitsgrade ein Faktor betragsmäßig kleiner als 1 gewählt. Soll eine Verlagerung des ersten Instruments generell zu größeren Verlagerungen des zweiten Instruments führen, so wird für alle Freiheitsgrade ein Faktor betragsmäßig größer als 1 gewählt. Unter Verwendung eines negativen Faktors kann eine spiegelbildliche Übersetzung für einen oder mehrere Freiheitsgrade gewählt werden, falls dies vom Benutzer gewünscht sein sollte. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung ferner einen Instrumententrokar auf, an dem die Steuervorrichtung fixiert ist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht ein ermöglicht ein definiertes Zusammenspiel zwischen der Steuervorrichtung und dem ersten Instrument.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erstes Referenzkoordinatensystem des ersten Instruments aus drei paarweise zueinander senkrechten Achsen gebildet, wobei eine z-Achse der drei Achsen von einem distalen Ende des ersten Instruments in Richtung eines proximalen Endes des ersten Instruments gerichtet ist, eine x-Achse der drei Achsen dem Gravitationsfeld der Erde folgt und eine y-Achse der drei Achsen senkrecht zur x-Achse und zur z-Achse steht.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine praktische und rechnerisch gut zu realisierende Definition des ersten Referenzkoordinatensystems des ersten Instruments.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zweites Referenzkoordinatensystem des zweiten Instruments aus drei paarweise zueinander senkrechten Achsen gebildet, wobei eine z-Achse der drei Achsen von einem distalen Ende des zweiten Instruments in Richtung eines proximalen Endes des zweiten Instruments gerichtet ist, eine x-Achse der drei Achsen dem Gravitationsfeld der Erde folgt und eine y-Achse der drei Achsen senkrecht zur x-Achse und zur z-Achse steht.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine praktische und rechnerisch gut zu realisierende Definition des zweiten Referenzkoordinatensystems des zweiten Instruments.
Nachfolgend werden Ausgestaltungen einer bevorzugten konkreten Ausführungsform beschrieben, wobei auch einzelne Elemente dieser Ausführungsform selektiv mit der zuvor allgemein beschriebenen Steuervorrichtung kombiniert werden können.
Bei dieser konkreten Ausführungsform ist eine Sensoreinheit in der Nähe eines Instrumententrokars positioniert und kinetisch mit diesem gekoppelt, wobei der Instrumententrokars für die Aufnahme des ersten Instruments ausgebildet ist. Die Sensoreinheit weist einen optischen Sensor, insbesondere einen Tracking-Sensor, und einen 3-Achsen-Beschleunigungs- messer und/oder einen 3-Achsen-Gyroskop auf. Der optische Tracking-Sensor ist so angeordnet, dass er einen direkten optischen Zugangsweg zum Instrumentenschaft, wenn das erste Instrument in den Instrumententrokars eingeführt ist, ermöglicht, während der Sensor von einem hermetischen Gehäuse umschlossen ist. Der Beschleunigungsmesser und/oder das Gyroskop erfassen die absolute Roll- und Nickbewegung sowie die relative Gierbewegung der Sensoreinheit und damit des Instrumententrokars. Der optische Tracking-Sensor erfasst die Translation und Rotation des ersten Instruments. Dieser Sensor verfügt über eine laserbasierte Lichtquelle, die ein Muster auf die Oberfläche des Instrumentenschafts des ersten Instruments projiziert. Das hermetische Gehäuse des optischen Trackingsensors hat ein Glasfenster, das den optischen Zugangsweg zum Instrumentenschaft ermöglicht. Dieses Fenster ist bevorzugt entweder in einem bestimmten Winkel zur Oberfläche des Sensors angeordnet oder mit einer Antireflexbeschichtung von 800 bis 900 nm versehen, um zu verhindern, dass Reflexionen des Glases den Sensor stören.
Außerdem weist die Steuervorrichtung oder das System eine Aktivierungsmethode auf, die signalisiert, wann der Benutzer den Endoskop-Steuermodus startet. Diese Aktivierungsmethode kann z.B. ein Fußschalter, eine Taste an den Instrumenten oder eine Sprachsteuerung sein. Zusätzlich gibt es eine Verbindung zwischen dem zweiten Instrument, hier ein Roboterarm mit einem Endoskop, und dem ersten Instrument, die genau definiert, wie das Endoskop und die Kamera relativ zum Endoskop-Positionierer, hier der Roboterarm, positioniert sind.
Dies ermöglicht eine direkte und intuitive Zuordnung bestimmter Freiheitsgrade. Die Neigung des ersten Instruments kann einfach in die Neigung des zweiten Instruments oder des Endoskops, übersetzt werden und die Translation des Instrumentenschafts kann auf eine Translation des zweiten Instruments oder des Endoskops abgebildet werden.
Diese Sensoranordnung hat allerdings keine Informationen über die absolute Ausrichtung des ersten Instruments in der horizontalen Ebene oder darüber, wie das erste Instrument in Bezug auf das zweite Instrument oder das Endoskop positioniert ist oder wie der Benutzer oder Chirurg zum ersten Instrument oder zum zweiten Instrument, hier dem Endoskop, positioniert ist. Daher ist eine direkte Zuordnung zwischen der Bewegung des ersten Instruments und des zweiten Instruments nicht möglich. Daher werden die genannten erste Information und zweite Information erfasst und dienen als Grundlage für eine Berechnung, welche Bewegung des ersten Instruments zu einer Endoskopbewegung nach rechts oder nach links führt.
Die vorgeschlagene Mapping-Methode oder Kartierungsmethode, die sich auf alle in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen auswenden lässt, erfordert weder eine Kalibrierung durch den Benutzer noch zusätzliche Sensoren. Stattdessen werden der Gravitationsvektor und die Instrumentenachse verwendet, um die Links-Rechts-Richtung gemäß der Rechtehandregel zu berechnen. Die Schwerkraftachse kann mittels des Daumens und die Einführrichtung des Instruments mittels des Zeigefingers dargestellt werden. Dann wird die Richtung, in die der Mittelfinger zeigt, als rechts betrachtet. Wenn der Benutzer die Instrumentenspitze nach rechts bewegt, bewegt sich die Kamera auf die rechte Seite des Bildes. Dementsprechend kann die Drehrichtung auch mit der Rechtshandregel festgelegt werden. Der Daumen kann in die Einführungsrichtung zeigen. Dann zeigen die gebogenen Finger in die Richtung, die zu einer Drehung des Bildes auf dem Bildschirm im Uhrzeigersinn führt.
Derartige Betrachtungen können sowohl in einem kartesischen als auch in einem sphärischen Koordinatensystem durchgeführt werden. Bei letzterem bildet die Sensoreinheit ein kugelförmiges Koordinatensystem, in dessen Zentrum sich die Sensoreinheit befindet (Position oder horizontale Ausrichtung der Sensoreinheit sind irrelevant). Die Spitze des ersten Instruments kann als Punkt im Koordinatensystem betrachtet werden, der Instrumentenschaft als dessen Vektor. Eine Bewegung der Spitze in die positive Richtung des Azimut-Einheitsvektors bewirkt eine Bewegung des Bildes nach links, eine Bewegung in die Richtung des positiven Polarwinkel-Einheitsvektors bewirkt eine Bewegung des Bildes nach unten. Eine Bewegung der Spitze in den positiven Richtung des Radius-Einheitsvektors bewirkt eine Zoombewegung.
Diese Mapping-Methode ist nicht beliebig gewählt, sondern wurde als bevorzugt identifiziert, da sie sich an der täglichen Erfahrung des Chirurgen orientiert. Wäre das erste Instrument tatsächlich ein Endoskop mit einer Kamera, würde es das Bild auf dem Bildschirm auf die gleiche Weise bewegen, wie es diese Mapping-Methode tut, wenn der Chirurg das erste Instrument zur Steuerung des Bildes verwendet und nicht direkt das Endoskop. Dies wird den Lernprozess für ausgebildete Chirurgen vereinfachen. Außerdem basiert die Mapping-Methode auf dem Instrument selbst. Jede Person im Operationssaal kann verstehen, welche Instrumentenbewegung am ersten Instrument welche Endoskopbewegung, also Bewegung des zweiten Instruments, verursacht. Dadurch kann jeder im Operationssaal das System leicht steuern, unabhängig von seiner Positionierung in Bezug auf Monitor, das erste Instrument und zweiten Instruments bzw. des Endoskops oder der Kamera.
In diesem Zusammenhang wird auf die Erläuterungen unter https://www.scratchapi- xel.com/lessons/mathematics-physics-for-computer-graphics/lookat-function verwiesen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein System mit einer zuvor beschriebenen Steuervorrichtung, einem ersten Instrument, einem zweiten Instrument und einer motorischen Steuereinheit zur Positionierung des zweiten Instruments.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste Instrument dafür ausgebildet, in einem Instrumententrokar geführt zu werden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das zweite Instrument ein Endoskop, wobei das Endoskop insbesondere eine Kamera aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein System mit einem medizinischen Operationsinstrument, einer Datenerfassungsvorrichtung und einer Datenverarbeitungseinrichtung.
Die Erfassung von Daten während einer Operation hat eine größere Bedeutung erlangt. Dabei ist die Dokumentation der Operation ein bereits lange bekanntes Erfordernis. Allerdings ist es auch heute noch eine Herausforderung, eine Operation so zu dokumentieren, dass auch Details der Operation noch nach Abschluss der Operation nachvollzogen werden können.
Im Laufe der Zeit hat aber auch die informationstechnische Begleitung einer Operation an Bedeutung gewonnen. So kann beispielsweise durch das Aktivieren eines bestimmten Instruments eine bestimmte Phase einer Operation erkannt werden. Diese Information kann dann unmittelbar, also noch während der Operation, verarbeitet werden, z.B. um bestimmte Einstellungen an einem oder mehreren Instrumenten oder Geräten vorzunehmen.
Es stellt sich in der Praxis jedoch immer wieder heraus, dass die informationstechnische Begleitung nicht immer ein vollständiges Gesamtbild einer Operation bereitstellt. Es ist daher einer Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes System aufzuzeigen, das zumindest die Durchführung oder Dokumentation der Operation unterstützt und optional weitere Möglichkeiten zur Informationsgewinnung eröffnet.
Als Lösung wird ein System vorgeschlagen mit einem medizinischen Operationsinstrument, das dafür ausgebildet ist, während einer Operation vom Operateur zumindest zeitweise handgeführt zu werden, einer Datenerfassungsvorrichtung und einer Datenverarbeitungseinrichtung, wobei die Datenerfassungsvorrichtung einen Posedetektor aufweist, der dafür ausgebildet ist, wiederholt eine Poseinformation des Operationsinstrument zu erfassen, wobei die Poseinformation mindestens eine Positions- oder Orientierungsinformation aufweist, und an die Datenverarbeitungseinrichtung zu senden, und wobei die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet ist, die Poseinformation zu verarbeiten und die Durchführung oder Dokumentation der Operation zu unterstützen.
Eine Besonderheit dieser Herangehensweise liegt darin, dass das Operationsinstrument nicht mehr nur als Aktuator angesehen wird, sei es von Hand oder robotisch geführt, sondern als Eingabemedium verwendet wird, um weitere wichtige Informationen zu sammeln. Dabei kann der Posedetektor als separate Vorrichtung ausgestaltet sein, die lösbar an dem Operationsinstrument fixiert werden kann. Der Posedetektor kann aber auch integrierter Bestandteil einer motorisch betriebenen Vorrichtung sein. So kann diese Vorrichtung bereits über einen oder mehrere Detektoren verfügen, die eine Pose der Vorrichtung und damit des Operationsinstruments im Raum ermitteln und ggf. überwachen.
Der Posedetektor kann aber auch inhärent durch die motorisch betriebene Vorrichtung gebildet sein. Hierbei ist es ja so, dass eine solche Vorrichtung, insbesondere ein motorischer Roboterarm, durch spezifische Stellpositionen mindestens eines Motors konkrete Positionen im Raum einnehmen kann. Wird die Vorrichtung nun manuell in ihrer Position verändert, so ändert sich damit auch die Stellposition des mindestens eines Motors, wodurch wiederum auf die nun vorliegende Pose des Operationsinstrument geschlossen werden kann.
In diesem Fall wird also die bekannte Kausalität, dass eine gewünschte, bestimmte Position vorgegeben wird, die Stellposition des mindestens eines Motors angesteuert wird und sich so die bestimmte Position im Raum der motorisch betriebenen Vorrichtung einstellt, umgekehrt. Die Position im Raum wird nun zum wählbaren Parameter, der die Stellposition des mindestens einen Motors vorgibt, woraus sich die Position im Raum ermitteln lässt.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung widmet sich einer Thematik, die die Erfinder im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erkannt haben. Diese Thematik soll nachfolgend als Datenlücke, insbesondere als Datenlücke für manuelle Operationsschritte, bezeichnet werden.
Chirurgieroboter werden abhängig vom Eingriff, der Methodik und dem Operateur nur für bestimmte Abschnitte der Operation eingesetzt. Während der Beginn und Abschluss der Operation immer am Operationstisch durchgeführt werden, können beispielsweise auch vorbereitende Schritte wie das Präparieren vor der Resektion oder Zwischenschritte bei komplexen Eingriffen manuell am Operationstisch erfolgen. Während dieser manuellen Phase können deutlich weniger eingriffsbezogene Daten erhoben werden als bei der Verwendung am Roboter.
Exemplarisch betrifft dies eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe aufweisend den verwendeten Instrumententyp, die Instrumentenposition, die Änderung der Instrumentenposition, den Instrumentenzustand, den Instrumentengebrauch, die Nutzungsdauer eines Instruments, die Kameraposition, die Änderung der Kameraposition, die Relativposition zwischen Kamera(s) und Instrumente(n), die Relativbewegung zwischen Kamera(s) und Instrumente^), die Relativbeschleunigung zwischen Kamera(s) und Instrumente(n), Kollisionen zwischen Kamera(s) und/oder Instrumente(n). Am Roboter erhobene eingriffsbezogene Daten können jedoch dazu verwendet werden medizinisch und wirtschaftlich relevanten Mehrwert zu generieren. Die Erfindung kann vorteilhafterweise diese Datenlücken während der manuellen Phasen am Operationstisch reduzieren oder schließen.
Es wird daher vorgeschlagen, eine kontinuierliche Datenerhebung während eines chirurgischen Eingriffs, der teilweise telemanipuliert bzw. mit einem Telemanipulator durchgeführt wird, vorzunehmen. Dazu wird insbesondere eine Sensoreinheit am Trokar angebracht und kinetisch gekoppelt, um die Instrumentenposition im Operationssaal zu erfassen. Dies kann bei einer beliebigen Anzahl an Trokaren erfolgen.
Durch die Kombination von Informationen zum Instrumententyp, einschließlich z.B. eine Maulteilgeometrie und/oder -kinematik, etc., und der Instrumentenposition kann wie beim Einsatz am Chirurgieroboter ein digitales Abbild der Realität erzeugt und für eine weitere Verarbeitung gefasst und gespeichert werden.
Zu den möglichen Anwendungen zählen die folgenden Aspekte: Automatisierte Dokumentation, Erkennung von Phasen während der Operation, Detektion von Notfallsituationen, beispielsweise durch eine Instrumentenbewegung, Überwachung der registrierten Pivotpunkte, Auswertungen zu Trainingszwecken, Integration von Expertensystemen und Wiederfinden bzw. Ansteuern von exakten Positionen, z.B. beim Wechsel von robotischer Führung zu manueller Führung oder umgekehrt.
Zudem kann ein Sicherheitsfeature realisiert werden, wodurch sich z.B. unzulässige Bereiche ("restricted areas") definieren lassen. In diese unzulässigen Bereiche kann ein teilweise robotisch manipuliertes Instrument auch bei manueller Bedienung nicht bewegt werden oder nur gegen einen erhöhten Widerstand bewegt werden. Dies wird durch eine entsprechende Ansteuerung eines motorischen Roboterarms erzielt, der Teil eines Chirurgieroboters oder Telemanipulators ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung widmet sich einer weiteren Thematik, die die Erfinder im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erkannt haben. Diese Thematik soll nachfolgend als Eingabeeinheit, insbesondere als Eingabeeinheit für die Steuerung eines Endoskops am Operationstisch, bezeichnet werden.
Bei Chirurgierobotern steht das Arbeiten des Hauptchirurgen an der Konsole im Vordergrund. Dennoch ist es notwendig Arbeitsschritte manuell am Operationstisch durchzuführen. Dies wird entweder vom Hauptchirurgen vor der Arbeit an der Konsole übernommen oder vom Assistenten während des robotischen Eingriffes. Für diese manuellen Phasen stehen die unterstützenden Funktionen des Roboters nicht zur Verfügung. Darunter fällt beispielsweise das Nachführen der Kamera.
Deshalb soll für die manuellen Phasen am Operationstisch und für paralleles Arbeiten von Hauptchirurg an der Konsole und Assistent am Operationstisch ein tischbasiertes Eingabesystem für die Kamerasteuerung die Eingabe an der Konsole vorübergehend ersetzen, so dass trotzdem am Operationstisch der volle Funktionsumfang des Roboters zur Kamerasteuerung inkl. automatische Nachführung zur Verfügung steht.
Es werden daher eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgeschlagen, bei denen über die Konsole des Telemanipulators wie auch die Auswertung der Eingabe am laparoskopischen Instrument eine parallele Steuerung eines robotisch geführten Endoskops durch die Konsole des Telemanipulators wie auch die Auswertung der Eingabe am laparoskopischen Instrument, dabei auch z.B. eine Steuerung des Endoskops am Roboter durch ein manuelles Instrument.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung widmet sich einer weiteren Thematik, die die Erfinder im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erkannt haben. Diese Thematik soll nachfolgend als Sicherheitssystem, insbesondere als redundantes Sicherheitssystem, bezeichnet werden.
Eine Anforderung für die Zulassung eines Medizinproduktes ist ein adäquates Sicherheitskonzept. Dies basiert bei kritischen Funktionen meistens auf einer redundanten Auslegung. Arm- und Instrumentenpositionen werden derzeit hauptsächlich über die Sensorik in den Roboterarmgelenken erfasst und berechnet.
Die Einbindung einer Sensorik, insbesondere einer Sensorik, die nahe einem Trokar oder nahe einer Einstichstelle angeordnet ist, ermöglicht eine unabhängige zusätzliche Messmodalität, so dass die Sensorik zur Überwachung eines Sicherheitssystems eines Chirurgieroboters eingesetzt werden. So können z.B. Scherkräfte im registrierten Trokarpunkt erfasst werden, die bei einer veränderten Position oder Registrierung des Pivotpunkts oder der Einstichstelle auftreten können. Eine solche Situation kann beispielsweise durch eine Bewegung des Patienten eintreten.
Es wird daher vorgeschlagen, mittels einer Sensorik, insbesondere einer Sensorik, die nahe einem Trokar oder nahe einer Einstichstelle angeordnet ist, eine Instrumentenposition zu erfassen, um einen Abgleich der Ist- und Sollwerte der Kinematik des Chirurgieroboters, insbesondere von mindestens einer Armgelenkposition des Chirurgieroboters, durchführen zu können. Bzgl. der oben genannten Aspekte ist festzustellen, dass diese weitergehende Datenerfassung nicht im Instrument selbst erfolgt. Hier ist die Erfassung nämlich im Wesentlichen auf die Instrumentenspitze beschränkt, so dass beispielsweise eine absolute Position nicht ohne Weiteres erfasst werden kann - es können hingegen nur unmittelbare Größen, wie z.B. Kräfte, die Temperatur, etc. erfasst werden. Stattdessen wird die Datenerfassung hier insbesondere an einem Pivotpunkt oder durch eine passive Halterung vorgenommen.
Bevorzugt werden dabei eine oder mehrere der folgenden Werte ermittelt: Absolute Position, relative Position in Kombination mit dem aktuellen Bild von der Kamera, Bewegungskurven, Kinematiken, Dynamiken und Kräfte. Letztere sind insbesondere aus einer Kombination von Bild und absoluter Position kalkulierbar, z.B. wie stark biegt sich ein Instrument unter dem Gewicht der Leber.
Bei einer Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, Bewegungsmuster des Operateurs zu ermitteln.
Dabei wird bei dem Operateur, also die Person, die das Instrument bedient, das hinsichtlich der Pose überwacht wird, beobachtet bzw. mitgeführt, wie er mit dem Operationsinstrument arbeitet. Dabei sind insbesondere Rückschlüsse auf die aktuelle Verfassung des Operateurs, der sog. "surgeon mood", möglich. Das Operationsinstrument kann dabei frei handgeführt sein oder mit einer motorischen Vorrichtung gekoppelt sein, in der der Operateur das Operationsinstrument aber im Wesentlich widerstandsfrei führen kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, einen Tremor in der Führung des Instruments zu ermitteln.
Dabei können gewollte rhythmische Bewegungen identifiziert werden, z.B. aufgrund ihrer Frequenz oder Auslenkung, und von einem evtl. Tremor des Operateurs unterschieden werden. Die Identifizierung eines Tremors kann beispielsweise auf eine anstrengende Haltung des Instruments oder auf eine Anspannung des Operateurs hindeuten und dem Operateur oder einer anderen Person signalisiert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, Anzeichen von Stress und/oder Hektik beim Operateur zu ermitteln.
Dabei können sowohl absolute Grenzwerte, z.B. eine zu hohe Geschwindigkeit einer Bewegung, eine übermäßige Auslenkung, das Ansteuern von unzulässigen Bereichen oder Räumen, etc., als auch relative Veränderungen zu einem empirisch ermittelten Bewegungsmuster des Operateurs oder einer Gruppe von Operateuren ermittelt werden. Dabei kann z.B. eine erhöhte Geschwindigkeit, Überbewegungen oder ein Abweichen von üblichen Strecken oder Räumen, etc., ein Anzeichen von Stress sein. Dies kann dem Operateur oder einer anderen Person signalisiert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, Anzeichen von Müdigkeit beim Operateur zu ermitteln.
So können eine zu geringe Bewegungsdynamik oder zu große Reaktionszeiten darauf hindeuten, dass der Operateur müde geworden ist. Auch hier können wieder absolute Grenzwerte, z.B. eine zu geringe Geschwindigkeit einer Bewegung, ein zu langes Verharren an einer Position ohne eine Tätigkeit, etc., als auch relative Veränderungen zu einem empirisch ermittelten Bewegungsmuster des Operateurs oder einer Gruppe von Operateuren ermittelt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, eine dreidimensionale Kameraposition auch dann zu ermitteln werden, wenn nur ein zweidimensionales Bild zur Verfügung steht.
Durch die zusätzlich erfasste Information können somit selbst in einem zweidimensionalen Bild Messungen, z.B. Abstands-, Strecken- oder Flächenmessungen, vorgenommen werden. Zudem kann auch davor gewarnt werden, dass evtl, kritische Strukturen tangiert sind oder, bei einer Fortsetzung der Bewegung, tangiert werden. So kann vor evtl. Kollisionen oder Rupturen gewarnt werden. Wie bereits erläutert, kann auch durch eine entsprechende Ansteuerung eines Roboterarms ein Widerstand gegen eine potentiell gefährliche Bewegung aufgebaut oder die Bewegung blockiert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, die Bildnachführung einer Kamera zu steuern.
Dies kann insbesondere bei der Datenqualität Vorteile bringen, aber auch ein Sicherheitsfeature darstellen. Die Bildnachführung kann dabei insbesondere durch eine Kombination von Bilderkennung und den Poseinformationen, insbesondere Positionsdaten, durchgeführt werden, so dass der Operateur die für ihn relevanten Bereiche im Blick hat. Zudem kann sichergestellt werden, dass alle Instrumente im sichtbaren Bildausschnitt angezeigt werden. Alternativ kann in einer erweiterten Darstellung die die Lage nicht sichtbarer Instrumente dargestellt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, ein Nutzungsmodell zu ermitteln. Das ermittelte Nutzungsmodell oder Operatormodell kann eine technische Belastungserfassung der Instrumente beinhalten, wodurch sich Voraussagen zur Lebensdauer oder zur verbleibenden Lebensdauer von einem oder mehreren Instrumenten treffen lassen. Dabei können auch typische Bewegungsdaten des Operateurs ermittelt und/oder eine Reinigungsintensität bestimmt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, eine Lernkurven-Analyse aus Bewegungsdaten zu erstellen.
Dabei werden aus der wiederholten Erfassung der Poseinformationen in Verbindung mit einer Zeiterfassung, Zeiten, Wege und evtl. Berührungen und/oder Nähe zu kritischen Strukturen erfasst. Auf Basis dieser Daten kann nachträglich ermittelt werden, wo sich der Operateur verbessen kann. Zudem können evtl, missglückte Schritte der Operation in einer Simulation, insbesondere durch ein virtuelles Nachstellen der Situation, nachvollzogen und im Sinne eines Lernens verbessert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, einen Nicht-Operateur zu unterstützen.
Der Begriff des Nicht-Operateur soll als eine Person verstanden werden, die den medizinischen Eingriff nicht führt oder maßgeblich gestaltet. Es kann sich dabei insbesondere um eine assistierende Person, z.B. Assistenten am Tisch, handeln. So kann die Datenverarbeitungseinrichtung eine Bildaufbereitung ansteuern, bei der dem Assistenten die Position seines Instruments eingeblendet wird, insbesondere wenn das Instrument in der aktuell vom Operateur gewünschten Bilddarstellung nicht zu sehen ist. Es kann auch eine verdeckte Richtung dargestellt werden, die nicht im Bild zu sehen ist. Schließlich kann der Assistent darin unterstützt werden, ein Instrument mit der Kamera am Trokaraustritt einzufangen oder abzuholen und ein Zurückführen des Instruments zur Zielstruktur begleiten.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, automatisiert Berichte zu erstellen und/der eine Workflow-Analyse durchzuführen
Hierbei werden die Bewegungsdaten bei der automatischen Unterteilung des Eingriffes in unterschiedliche Phasen verwendet. Dies kann einerseits nach Abschluss einer Operation (Post-OP) verfolgen. So kann insbesondere ein automatisierter Operations-Bericht erstellt werden und/oder durch ein Zusammenfügen ("stitching") von mehreren Bildern dokumentiert werden, dass der ganze Situs inspiziert wurde. Andererseits kann auch während der Operation (Intra-OP) eine Optimierung von Workflows vorgenommen, wie z.B. die Bestimmung der Zeit für die Bestellung des nächsten Patienten. Es können Operationsverzögerungen im Vergleich zu Durchschnittswerten des Krankenhauses ermittelt werden und basierend auf einer solchen Ermittlung eine evtl, automatisierte Anpassung des Operationsplans vorgenommen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet, eine gewünschte Pose des Operationsinstruments anzusteuern.
So kann ein Wechsel oder eine Abstimmung an der Konsole und/oder am Operationstisch erleichtert werden. Insbesondere kann dabei eine Instrumentenposition bei einem Wechsel von einer handgehaltenen Führung auf eine robotische Führung wieder angesteuert werden. In ähnlicher Weise kann auch eine Kameraposition wieder eingenommen werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei wird insbesondere darauf hingewiesen, dass sich die Aspekte der verschiedenen beschriebenen Systeme kombinieren lassen, und zwar sowohl mit der beschriebenen Steuervorrichtung als auch mit einem oder mehreren der anderen beschriebenen Systeme.
Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ein Ausführungsbeispiele der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Steuervorrichtung als Teil einer Ausführungsform eines Systems.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Steuervorrichtung 10, die Teil eines Systems 60 ist, das ferner ein erstes Instrument 16, ein zweites Instrument 24 und eine motorische Steuereinheit 22 zur Positionierung des zweiten Instruments 24 aufweist. Das erste Instrument 16 ist dafür ausgebildet, in einem Instrumententrokar 40 geführt zu werden. Das zweite Instrument 24 ist hier ein Endoskop 54, wobei das Endoskop 54 insbesondere eine Kamera 56 aufweist. Die Steuervorrichtung 10 ist den dem Instrumententrokar 40 lösbar fixiert.
Die Steuervorrichtung 10 hat einen ersten, optischen Sensor 12 und einen zweiten Sensor 14 mit einem Beschleunigungssensor und/oder einem Gyroskop, wobei der optische Sensor 12 dafür ausgebildet ist, eine erste Information über eine erste, translatorische und rotatorische Komponente 18 einer Verlagerung eines ersten, manuell verlagerbaren Instruments 16 relativ zum optischen Sensor 12 zu erfassen.
Der zweite Sensor 14 ist dafür ausgebildet, eine zweite Information über eine zweite Komponente 20 der Verlagerung des ersten Instruments 16 zu erfassen, wobei die zweite Komponente 20 ein Rollen, Nicken und Gieren des ersten Instruments 16 ist.
Die Steuervorrichtung 10 ist dafür ausgebildet, die erste und die zweite Information an die motorische Steuereinheit 22 zur Positionierung eines zweiten Instruments 24 zu senden, so dass das zweite Instrument 24 korrespondierend zum ersten Instrument 16 verlagert wird. Das zweite Instrument 24 ist lösbar an der motorischen Steuereinheit 22 fixiert.
Die Steuervorrichtung 10 weist eine durchgehende Passage 26 auf, die dafür ausgebildet ist, einen Schaft 28 des ersten Instruments 16 aufzunehmen, insbesondere formschlüssig bzgl. des Umfangs des Schafts 28. Der optische Sensor 12 ist derart angeordnet, dass von dem ersten Instrument 16 reflektiertes Licht 58 zum optischen Sensor 12 gelangt. Der optische Sensor 12 ist in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse 32 mit einer lichtdurchlässigen Scheibe 34 angeordnet. Dabei kommt das Licht 56 insbesondere von einer Lichtquelle 30, die dafür ausgebildet ist, Licht 56 zur Beleuchtung eines Schafts 28 des ersten Instruments 16 abzustrahlen. Das Licht 56 wird insbesondere mit einem strukturierten Muster abgestrahlt.
Die Steuervorrichtung 10 weist eine Betätigungsvorrichtung 36 auf, wobei die Steuervorrichtung 10 dafür ausgebildet ist, in einem aktivierten Zustand der Betätigungsvorrichtung 36 bei einer Verlagerung des ersten Instruments 16 eine Verlagerung des zweiten Instruments 24 zu bewirken und in einem deaktivierten Zustand bei einer Verlagerung des ersten Instruments 16 keine Verlagerung des zweiten Instruments 24 zu bewirken.
Die Steuervorrichtung 10 weist zudem eine Konfigurationsvorrichtung 38 auf, die dazu ausgebildet ist, die erste und/oder die zweite Information mit einem Faktor zu beaufschlagen, so dass eine Verlagerung des ersten Instruments 16 bzgl. eines oder mehrerer Freiheitsgrade zu einer Verlagerung des zweiten Instruments 24 bzgl. dieses oder dieser Freiheitsgrade führt, die mit einem Faktor beaufschlagt ist.
Ein erstes Referenzkoordinatensystem 42 des ersten Instruments 16 ist aus drei paarweise zueinander senkrechten Achsen gebildet, wobei eine z-Achse der drei Achsen von einem distalen Ende 44 des ersten Instruments 16 in Richtung eines proximalen Endes 46 des ersten Instruments 16 gerichtet ist, eine x-Achse der drei Achsen dem Gravitationsfeld G der Erde folgt und eine y-Achse der drei Achsen senkrecht zur x-Achse und zur z-Achse steht. Ein zweites Referenzkoordinatensystem 48 des zweiten Instruments ist aus drei paarweise zueinander senkrechten Achsen gebildet, wobei eine z-Achse der drei Achsen von einem distalen Ende 50 des zweiten Instruments 24 in Richtung eines proximalen Endes 52 des zweiten Instruments 24 gerichtet ist, eine x-Achse der drei Achsen dem Gravitationsfeld G der Erde folgt und eine y-Achse der drei Achsen senkrecht zur x-Achse und zur z-Achse steht.
Die motorische Steuereinheit 22 weist eine Verarbeitungseinheit 62, hier ein Mikroprozessor, und einen Speicher 64 auf. Der Speicher 64 weist Instruktionen auf, mit denen, wenn diese Instruktionen von der Verarbeitungseinheit 62 ausgeführt werden, aus der ersten und der zweiten Information Steuerbefehle für die motorische Steuereinheit 22 ermittelt werden.
Nachfolgend wird eine bevorzugte programmtechnische Realisierung der Steuerung durch die Steuervorrichtung beschrieben. Dabei wird hier angenommen, dass mittels des ersten Instruments, hier in der Funktion als Joystick, eine Kamera eines Endoskops gesteuert wird, die das zweite Instrument darstellt. Wenn diese Art der Steuerung aktiv ist, befindet sich das System in einem Kamerasteuerungs-Modus (KSM). Variablen, die der Kamera zugeordnet sind, tragen die Kennung "cam". Variablen, die dem Joystick zugeordnet sind, tragen die Kennung "joy".
Beim Einschalten des Kamerasteuerungs-Modus werden folgende Startwerte in Variablen abgespeichert. Dies ist erforderlich, da sämtliche Steuerbefehle aus der Differenz dieser Startwerte und den neuen Messwerten berechnet werden, siehe Tabelle 1 :
Figure imgf000019_0001
Tabelle 1 Wurde der Kamerasteuerungs-Modus aktiviert und wie zuvor erläutert initialisiert, wird zunächst das erste Referenzkoordinatensystem des ersten Instruments, also des Joysticks, ermittelt.
Wie bereits ausgeführt, wird die z-Achse durch das Instrument definiert und zeigt von der Spitze des Instruments zum Handgriff. Grundsätzlich kann diese Achse rechnerisch mit einem negativen Vorzeichen beaufschlagt werden, wodurch sich im Ergebnis eine Umkehr der Richtung ergibt. Die hier vorgeschlagene Orientierung ist in der Kameratechnik aber Standard, siehe hierzu insbesondere die sogenannte LookAt-Funktion.
Wie bereits beschrieben, werden zwei weitere Achsen definiert. Um diese eindeutig zu definieren wird die Gravitationsachse verwendet. Diese ist durch die Inertialsensoren immer bekannt und kann daher verwendet werden. Diese Achse, die dem Gravitationsfeld folgt, soll hier der Anschauung halber als x-Achse bezeichnet werden. Die y-Achse ergibt sich schließlich als Kreuzprodukt zwischen x-Achse und z-Achse. Dies wird in der nachfolgenden Tabelle 2 gezeigt:
Figure imgf000020_0001
Tabelle 2
Die Berechnung des zweiten Referenzkoordinatensystems des zweiten Instruments, hier die Kamera bzw. das Endoskop, erfolgt entsprechend dem ersten Instrument, wobei hier nun die Daten des Endoskops verwendet werden, siehe Tabelle 3:
Figure imgf000021_0001
Tabelle 3
Nachdem nun das erste und das zweite Referenzkoordinatensystem ermittelt worden sind, werden fortlaufend folgende Schritte durchgeführt, siehe Tabelle 4, woraus dann für die Steuerung des zweiten Instruments wichtige Parameter berechnet werden, bevorzugt Auslenkung, Auslenkungsrichtung, Roll-Wert und Einführungstiefe:
Figure imgf000021_0002
Tabelle 4
Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Steuervorrichtung (10) mit einem ersten, optischen Sensor (12) und einem zweiten Sensor (14) mit einem Beschleunigungssensor und/oder einem Gyroskop, wobei der optische Sensor (12) dafür ausgebildet ist, eine erste Information über eine erste, translatorische und rotatorische Komponente (18) einer Verlagerung eines ersten, manuell verlagerbaren Instruments (16) relativ zum optischen Sensor (12) zu erfassen, und der zweite Sensor (14) dafür ausgebildet ist, eine zweite Information über eine zweite Komponente (20) der Verlagerung des ersten Instruments (16) zu erfassen, wobei die Steuervorrichtung (10) dafür ausgebildet ist, die erste und die zweite Information zur Positionierung eines zweiten Instruments (24) zu senden, so dass das zweite Instrument (24) korrespondierend zum ersten Instrument (16) verlagert wird. Ferner werden ein System (60) mit einer Steuervorrichtung (10), einem ersten Instrument (16), einem zweiten Instrument (24) und einer motorischen Steuereinheit (22) zur Positionierung des zweiten Instruments (24), sowie ein System mit einem medizinischen Operationsinstrument offenbart.

Claims

Patentansprüche Steuervorrichtung (10) mit einem ersten, optischen Sensor (12) und einem zweiten Sensor (14) mit einem Beschleunigungssensor und/oder einem Gyroskop, wobei der optische Sensor (12) dafür ausgebildet ist, eine erste Information über eine erste, translatorische und rotatorische Komponente (18) einer Verlagerung eines ersten, manuell verlagerbaren Instruments (16) relativ zum optischen Sensor (12) zu erfassen, und der zweite Sensor (14) dafür ausgebildet ist, eine zweite Information über eine zweite Komponente (20) der Verlagerung des ersten Instruments (16) zu erfassen, wobei die zweite Komponente (20) ein Rollen, Nicken und Gieren des ersten Instruments (16) ist, wobei die Steuervorrichtung (10) dafür ausgebildet ist, die erste und die zweite Information zur Positionierung eines zweiten Instruments (24) zu senden, so dass das zweite Instrument (24) korrespondierend zum ersten Instrument (16) verlagert wird. Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (10) eine durchgehende Passage (26) aufweist, die dafür ausgebildet ist, einen Schaft (28) des ersten Instruments (16) aufzunehmen. Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der optische Sensor (12) derart angeordnet ist, dass von dem ersten Instrument (16) reflektiertes Licht (58) zum optischen Sensor (12) gelangt. Steuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (10) eine Lichtquelle (30) aufweist, die dafür ausgebildet ist, Licht (56) zur Beleuchtung eines Schafts (28) des ersten Instruments (16) abzustrahlen. Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei das Licht (56) mit einem strukturierten Muster abgestrahlt wird. Steuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Sensor (12) in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse (32) mit einer lichtdurchlässigen Scheibe (34) angeordnet ist. Steuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (10) eine Betätigungsvorrichtung (36) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (10) dafür ausgebildet ist, in einem aktivierten Zustand der Betätigungsvorrichtung (36) bei einer Verlagerung des ersten Instruments (16) eine Verlagerung des zweiten Instruments (24) zu bewirken und in einem deaktivierten Zustand bei einer Verlagerung des ersten Instruments (16) keine Verlagerung des zweiten Instruments (24) zu bewirken. Steuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (10) eine Konfigurationsvorrichtung (38) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die erste und/oder die zweite Information mit einem Faktor zu beaufschlagen, so dass eine Verlagerung des ersten Instruments (16) bzgl. eines oder mehrerer Freiheitsgrade zu einer Verlagerung des zweiten Instruments (24) bzgl. dieses oder dieser Freiheitsgrade führt, die mit einem Faktor beaufschlagt ist. Steuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Instrumententrokar (40), an dem die Steuervorrichtung (10) fixiert ist. Steuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Referenzkoordinatensystem (42) des ersten Instruments (16) aus drei paarweise zueinander senkrechten Achsen gebildet ist, wobei eine z-Achse der drei Achsen von einem distalen Ende (44) des ersten Instruments (16) in Richtung eines proximalen Endes (46) des ersten Instruments (16) gerichtet ist, eine x-Achse der drei Achsen dem Gravitationsfeld (G) der Erde folgt und eine y-Achse der drei Achsen senkrecht zur x-Achse und zur z-Achse steht. Steuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweites Referenzkoordinatensystem (48) des zweiten Instruments aus drei paarweise zueinander senkrechten Achsen gebildet ist, wobei eine z-Achse der drei Achsen von einem distalen Ende (50) des zweiten Instruments (24) in Richtung eines proximalen Endes (52) des zweiten Instruments (24) gerichtet ist, eine x-Achse der drei Achsen dem Gravitationsfeld (G) der Erde folgt und eine y-Achse der drei Achsen senkrecht zur x-Achse und zur z-Achse steht. System (60) mit einer Steuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einem ersten Instrument (16), einem zweiten Instrument (24) und einer motorischen Steuereinheit (22) zur Positionierung des zweiten Instruments (24). System (60) nach Anspruch 12, wobei das erste Instrument (16) dafür ausgebildet ist, in einem Instrumententrokar (40) geführt zu werden. System (60) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das zweite Instrument (24) ein Endoskop (54) ist, wobei das Endoskop (54) insbesondere eine Kamera (56) aufweist. System mit einem medizinischen Operationsinstrument, das dafür ausgebildet ist, während einer Operation vom Operateur zumindest zeitweise handgeführt zu werden, einer Datenerfassungsvorrichtung und einer Datenverarbeitungseinrichtung, wobei die Datenerfassungsvorrichtung einen Posedetektor aufweist, der dafür ausgebildet ist, wiederholt eine Poseinformation des Operationsinstrument zu erfassen, wobei die Poseinformation mindestens eine Positions- oder Orientierungsinformation aufweist, und an die Datenverarbeitungseinrichtung zu senden, und wobei die Datenverarbeitungseinrichtung dafür ausgebildet ist die Poseinformation zu verarbeiten und die Durchführung oder Dokumentation der Operation zu unterstützen.
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