DE102014224268B4 - Endoscopic instrument and method for grasping structures - Google Patents
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Abstract
Endoskopisches Instrument miteiner proximalen Antriebseinheit (16) oder einer Kopplung für eine Antriebseinheit,einer sich an die Antriebseinheit (16) oder die Kopplung für eine Antriebseinheit anschließende Vielzahl an hintereinander angeordneten Gelenkmechanismen, durch die Abschnitte (26, 32) definiert werden undeinem an der Antriebseinheit (16) oder der Kopplung für eine Antriebseinheit abgewandten distalen Seite angeordneter Endeffektor (18, 36) oder eine Kopplung für einen Endeffektor,wobei die Abschnitte (26, 32) durch die Gelenkmechanismen unabhängig voneinander deterministisch krümmbar und/oder knickbar sind,dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei krümmbare Abschnitte (26) vorgesehen sind,wobei der Gelenkmechanismus jedes krümmbaren Abschnitts 26 mehrere über Hauptgelenke (122, 216) miteinander verbundene in Reihe angeordneten Gliedern (118, 120, 210, 212, 214) und Verbindungselemente (128, 130, 218, 220) aufweist, die jeweils ein Glied (118, 210) mit dem übernächsten Glied (118, 214) verbinden undwobei die Hauptgelenke (122, 216) jeweils zwei Schwenkachsen (124, 126) aufweisen,wobei die jeweils an einem Glied (118, 120) vorgesehenen Schwenkachsen (124, 126) zueinander parallel sind und die Schwenkachsen (124, 126) benachbarter Glieder (118, 120) senkrecht dazu sind.An endoscopic instrument having a proximal drive unit (16) or coupling for a drive unit, a plurality of linkage mechanisms sequentially arranged on the drive unit (16) or coupling for a drive unit, defining sections (26, 32) and one on the drive unit (16) or the end-effector (18, 36) remote from the coupling for a drive unit or a coupling for an end-effector, wherein the sections (26, 32) are independently deterministically bendable and / or kinkable by the hinge mechanisms, characterized at least two bendable sections (26) are provided, wherein the hinge mechanism of each bendable section 26 comprises a plurality of interconnected links (118, 120, 210, 212, 214) interconnected by main hinges (122, 216) and connecting elements (128, 130, 218, 220), each having a member (118, 210) with the over and wherein the main joints (122, 216) each have two pivot axes (124, 126), wherein each provided on a member (118, 120) pivot axes (124, 126) are parallel to each other and the pivot axes (124, 126) of adjacent links (118, 120) are perpendicular thereto.
Description
Die Erfindung betrifft ein endoskopisches Instrument sowie ein Verfahren, welches insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie (MIC), einschließlich robotergestützt, einsetzbar ist zum Umgreifen von Strukturen.The invention relates to an endoscopic instrument and to a method which can be used, in particular in minimally invasive surgery (MIC), including robots, for embracing structures.
In der Chirurgie hat sich mittlerweile ein Verfahren etabliert, das auf große Körpereröffnungen verzichten kann, die sogenannte minimal invasive Chirurgie (MIC). Hierbei wird der chirurgische Zugang mittels kleiner Schnitte durch die Körperoberfläche geschaffen. Durch diese Zugänge werden lange, schlanke Instrumente, sogenannte endoskopische Instrumente, in das Patienteninnere vorgeschoben. Dies sind u.a. dünne, stabförmige Endoskopkameras, die zur Gewinnung optischer Eindrücke aus dem Körperinneren über Video-/Monitorsysteme dienen. Vorteile dieser Technik im Vergleich zur konservativen, offenen Chirurgie liegen insbesondere in der geringeren Traumatisierung des Patienten, d.h. geringere postoperative Schmerzen, geringere Wundheilungsstörungen, geringerer Blutverlust, geringere Wundinfektionsrate etc. und der damit verbundenen schnelleren Rekonvaleszenz.In the meantime, a procedure has been established in surgery that can do without large body openings, the so-called minimally invasive surgery (MIS). Here, the surgical approach is created by means of small cuts through the body surface. Through these approaches, long, slender instruments called endoscopic instruments are advanced into the patient's interior. These are u.a. thin, rod-shaped endoscope cameras, which are used to gain optical impressions from within the body via video / monitor systems. Advantages of this technique compared to conservative, open surgery are in particular the lower traumatization of the patient, i. lower postoperative pain, less wound healing disorders, less blood loss, lower wound infection rate etc. and the associated faster convalescence.
Bekannte MIC-Instrumente haben verschiedene Nachteile in der Handhabung. Einerseits ist das Arbeiten mit den üblicherweise starren Instrumenten schwierig, da sie intrakorporal nicht abwinkelbar sind und lediglich ein funktionaler Freiheitsgrad z.B. zum Schneiden oder Greifen existiert. Andererseits ist das Führen der Instrumente unintuitiv, da der Durchtrittspunkt durch die Körperoberfläche als invariant anzusehen ist und somit eine Bewegungsumkehrung im Körperinneren stattfindet. Folglich ist das Erlernen dieser Technik langwierig und trainingsintensiv. Des Weiteren sind komplexe Eingriffe mit hohen Forderungen an Manipulabilität mit dieser Technik kaum durchführbar.Known MIC instruments have several disadvantages in handling. On the one hand, working with the usually rigid instruments is difficult because they are not bendable intracorporeally and only one functional degree of freedom, e.g. for cutting or gripping exists. On the other hand, the guidance of the instruments is unintuitive, since the passage point through the body surface is to be regarded as invariant and thus a reversal of movement takes place inside the body. Consequently, learning this technique is tedious and training intensive. Furthermore, complex interventions with high demands on manipulability are hardly feasible with this technique.
Um diese schwierige Handhabbarkeit zu vereinfachen, kann die minimal invasive Chirurgie durch Robotersysteme unterstützt werden. Die MIC-Instrumente werden von Roboterarmen getragen, welche vom Chirurgen direkt ferngesteuert werden. Die Fernsteuerung erfolgt über eine vom Patienten abgesetzte, cockpitartige Eingabekonsole, bei der die MIC-Instrumente mittels spezieller „Joysticks“ kommandiert werden. Hauptvorteile dieser Robotersysteme sind die Möglichkeit, eine zusätzliche intrakorporale Abwinkelung der Instrumente bei einfacher Bedienung zu bieten sowie die Handhabung der Instrumente über Zwischenschaltung rechnergestützter Eingabeanpassungssysteme wesentlich zu vereinfachen (Wiederherstellung der Hand-Auge-Koordination bzw. Elimination der Bewegungsumkehrung). Hierdurch sind nach einer vergleichsweise kurzen Lernphase auch komplexe MIC-Eingriffe mit hohen Forderungen an Manipulabilität möglich.To simplify this difficult handling, minimally invasive surgery can be supported by robotic systems. The MIC instruments are carried by robotic arms, which are controlled remotely by the surgeon. Remote control is via a cockpit-like input console remote from the patient, where the MIC instruments are commanded by means of special "joysticks". The main advantages of these robotic systems are the ability to provide additional intracorporeal angulation of the instruments with ease of use and to significantly simplify the handling of the instruments through the interposition of computerized input adjustment systems (restoration of hand-eye coordination or elimination of motion reversal). As a result, even complex MIC interventions with high demands on manipulability are possible after a comparatively short learning phase.
Nachteil dieser Technik - bedingt durch die räumliche bzw. mechanische Trennung von Chirurg und Patient - ist der völlige Verlust haptischer Rückkopplung vom Operationsfeld an den Operateur. Die Wahrnehmung haptischer Eindrücke (Interaktions- wie Manipulationskräfte und - momente) durch ein technisches System ist gebunden an Sensoren, deren Position insbesondere am äußerst distalen Instrumentenende am sinnvollsten ist, um Einflüsse auf die Messung zu vermeiden, die nicht direkt aus dem interessierenden Operationsgebiet stammen. Die für das medizinische Umfeld am geeignetsten erscheinenden Sensoren (z.B. hinsichtlich Baugröße für die MIC, Biokompatibilität, Patientenrisiko) sind im weitesten Sinne elektro- oder optomechanisch, d.h. zumeist kabel- oder fasergebundene Sensoren. Ferner sind sensorintegrierte Instrumente aufwendig und damit kostenträchtig; es ist also im Zusammenhang mit der MIC nicht von Einmal-, sondern von Mehrfachinstrumenten auszugehen. Weder Kabel noch Fasern sind jedoch dauerfest auf Knickung bei abwinkelbaren Instrumenten. Es ist also aus technischer Sicht sinnvoll, diese sensorintegrierten Instrumente nicht zu knicken (abzuwinkeln), sondern ihre Hauptrichtung bogenförmig zu verändern.Disadvantage of this technique - due to the spatial or mechanical separation of surgeon and patient - is the complete loss of haptic feedback from the surgical field to the surgeon. The perception of haptic impressions (interaction and manipulation forces and moments) by a technical system is bound to sensors whose position is most sensible, especially at the extremely distal end of the instrument, in order to avoid influences on the measurement that do not originate directly from the surgical field of interest. The most appropriate sensors for the medical environment (e.g., in terms of size for the MIC, biocompatibility, patient risk) are in the broadest sense electro- or optomechanical, i. mostly cable- or fiber-bound sensors. Furthermore, sensor-integrated instruments are expensive and thus costly; So it is not in connection with the MIC outgoing, but from multiple instruments. However, neither cable nor fibers are fatigue resistant to kinking with bendable instruments. So it makes sense from a technical point of view not to bend (bend) these sensor-integrated instruments, but to change their main direction arcuate.
Bekannte kinematische Realisierung einer solchen Abkrümmung im Bereich der Robotertechnik ist die sog. Spine-Kinematik, bei der ein Vielgelenkmechanismus, bestehend aus mehreren, hintereinandergeschalteten Einzelgelenken, Verwendung findet.Known kinematic realization of such a bend in the field of robotics is the so-called. Spine kinematics, in which a multi-joint mechanism, consisting of several, one behind the other hinged individual joints, is used.
Wird eine derartige Spine-Kinematik unterbestimmt angetrieben, d.h. steht für jede Abkrümmungsebene lediglich ein Steller für mehrere Gelenke zur Verfügung, so besteht der Nachteil in dieser Konfiguration darin, dass die Abkrümmung der Spine-Kinematik nicht deterministisch, d.h. die Krümmung über alle Einzelgelenke nicht zwingend gleichverteilt, ist (bedingt z.B. durch unterschiedliche Reibung in den Einzelgelenken, Stick-Slip-Effekte, Lagerspiel, Rippel bei der Aktuierung). Auch Kräfte die von innen oder außen auf die kinematische Struktur wirken (z.B. Interaktionskräfte mit der Umgebung, Steifigkeiten innenliegender Strukturen, Abstützungskräfte von Zugseilen zur Aktuierung des funktionalen Endeffektors) können Einfluss auf deren Position und Orientierung haben. Die entstehende Krümmung muss in diesem Fall folglich nicht einem Polygonzug mit gleichen Innenwinkeln entsprechen, sondern kann einem unregelmäßigen Polygonzug folgen, der sich darüber hinaus (weil nondeterministisch) bei jedem Wiederholungsversuch, dieselbe Position anzufahren, unterschiedlich ausprägen kann. Es ist anhand der Stellerposition folglich nie genau bekannt, wo der Armendpunkt der Spine-Kinematik zu liegen kommt, was speziell in der Handhabungstechnik von großem Nachteil ist.If such a spine kinematics driven underdetermined, that is for each Abkrümmsebene only one actuator for multiple joints available, the disadvantage in this configuration is that the curvature of the spin kinematics not deterministic, ie the curvature not mandatory over all individual joints evenly distributed, is (for example due to different friction in the individual joints, stick-slip effects, bearing clearance, ripple at the Aktuierung). Also, forces acting on the kinematic structure from the inside or outside (eg interaction forces with the environment, stiffnesses of internal structures, support forces of tension cables for actuation of the functional end effector) can influence their position and orientation. The resulting curvature in this case must therefore not correspond to a polygon with the same internal angles, but may follow an irregular traverse, which in addition (because of non-deterministic) with each attempt to approach the same position, different express. It is therefore never known exactly where the arm end point of the spine Kinematics comes to rest, which is especially in handling technology of great disadvantage.
Selbst bei Integration einer Positionssensorik zur Bestimmung der Armendpunktposition bleibt das Problem, dass ein bekannter Soll-Ist-Fehler nur durch Zufall ausgeglichen werden kann, weil eine Veränderung des Stellers keine deterministische Armendpunktpositionsveränderung zum Ausgleich des Soll-Ist-Fehlers zur Folge hat - das System hat mehr Freiheitsgrade als Antriebe und ist daher mechanisch unterbestimmt. Lösbar wäre dieses Problem dadurch, dass für jedes Gelenk ein eigener, im besten Fall regelbarer, Steller integriert wird. Hierdurch wird allerdings die Anzahl der Antriebsseile stark erhöht, wie beispielsweise in
Eine alternative Lösungsmöglichkeit der Unterbestimmtheitsproblematik ist die Zwangsführung: Hierbei bedingt eine mechanische Kopplung aller Folgegelenke untereinander eine deterministische Krümmung. Diese modularen Gelenkmechanismen sind beispielsweise in
Für volle Dexterität (
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es ein endoskopisches Instrument zu schaffen, mit dem deterministisch das Umgreifen einzelner Organe ermöglicht wird bei gleichzeitig kleinem distalen Arbeitsraum und vereinfachtem Aufbau.
The object of the invention is to provide an endoscopic instrument, with the deterministic embracing of individual organs is made possible at the same time small distal working space and simplified structure.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren des Anspruchs 9 und wird näher bestimmt durch die jeweils abhängigen Ansprüche.The object is achieved by the features of claim 1 and by the method of claim 9 and is further determined by the respective dependent claims.
Das erfindungsgemäße endoskopische Instrument weist ein proximales Ende und ein distales Ende auf, wobei das proximale Ende zum Operateur bzw. zum chirurgischen Roboter weist und das distale Ende Richtung Operationssitus. Dabei wird üblicherweise das distale Ende durch eine Öffnung in den Körper des Patienten eingeführt. Erfindungsgemäß ist proximal eine Antriebseinheit oder eine Kopplung für eine Antriebseinheit angeordnet. Durch die Antriebseinheit erfolgt die Steuerung des endoskopischen Instruments. Da es sich bei endoskopischen Instrumenten üblicherweise um mehrfach verwendbare Geräte handelt, welche bei hohen Temperaturen für eine neue Benutzung sterilisiert werden müssen, ist es vorteilhaft die Antriebseinheit über eine Kopplung mit dem endoskopischen Instrument zu verbinden, sodass diese vor der Sterilisation vom endoskopischen Instrument getrennt werden kann. Gleichzeitig ist hierdurch auch möglich eine Antriebseinheit für mehrere endoskopische Instrumente vorzusehen.The endoscopic instrument according to the invention has a proximal end and a distal end, the proximal end facing the surgeon and the surgical robot, respectively, and the distal end facing the surgical site. Typically, the distal end is inserted through an opening in the body of the patient. According to the invention, a drive unit or a coupling for a drive unit is arranged proximally. The drive unit controls the endoscopic instrument. Since endoscopic instruments are usually reusable devices which must be sterilized at high temperatures for reuse, it is advantageous to connect the drive unit via a coupling with the endoscopic instrument so that they are separated from the endoscopic instrument prior to sterilization can. At the same time, this also makes it possible to provide a drive unit for a plurality of endoscopic instruments.
Erfindungsgemäß schließt sich an die Antriebseinheit oder die Kopplung für eine Antriebseinheit eine Vielzahl an hintereinander angeordneten insbesondere deterministischen Gelenkmechanismen an. Durch die Gelenkmechanismen werden Abschnitte definiert entlang des endoskopischen Instruments. Dabei weist insbesondere jeder Abschnitt genau einen Gelenkmechanismus auf. Die Abschnitte sind dabei unmittelbar aneinander anschließend angeordnet und insbesondere starr miteinander verbunden. Das Ende eines Abschnitts ist ververbunden mit dem Anfang eines weiteren, unmittelbar nachfolgenden Abschnitts und so weiter. Der Anfang des ersten Abschnitts weist dabei in die proximale Richtung und ist insbesondere mit der Antriebseinheit oder einer Kopplung für die Antriebseinheit verbunden. Neben dem jeweiligen Gelenkmechanismus kann ein Abschnitt insbesondere zusätzlich einen starren Bereich aufweisen. Alternativ hierzu weist der Abschnitt sowohl vor dem Gelenkmechanismus als auch nach dem Gelenkmechanismus einen starren Bereich auf.According to the invention, the drive unit or the coupling for a drive unit is adjoined by a plurality of, in particular, deterministic link mechanisms arranged one behind the other. The joint mechanisms define sections along the endoscopic instrument. In particular, each section has exactly one hinge mechanism. The sections are arranged directly adjacent to each other and in particular rigidly connected together. The end of a section is linked to the beginning of another immediately following section, and so on. The beginning of the first section points in the proximal direction and is in particular connected to the drive unit or a coupling for the drive unit. In addition to the respective joint mechanism, a section may in particular also have a rigid area. Alternatively, the section has a rigid area both in front of the hinge mechanism and after the hinge mechanism.
Erfindungsgemäß ist an der Antriebseinheit, oder der Kopplung für eine Antriebseinheit, abgewandten distalen Seite des endoskopischen Instruments ein Endeffektor oder eine Kopplung für den Endeffektor angeordnet. Bei dem Endeffektor kann es sich beispielsweise um einen Greifer, eine Schere oder dergleichen handeln. Genauso denkbar ist jedoch auch als Endeffektor eine Optik vorzusehen, durch die der Operationssitus beobachtet werden kann. Alternativ hierzu handelt es sich bei dem Endeffektor um einen insbesondere diagnostischen Sensor wie beispielsweise einen Ultraschallsensor. Falls eine Kopplung für einen Endeffektor vorgesehen ist, ist der Endeffektor abnehmbar ausgestaltet, sodass mit nur einem endoskopischen Instrument mehrere unterschiedliche Endeffektoren verwendet werden können.According to the invention, an end effector or a coupling for the end effector is arranged on the drive unit, or the coupling for a drive unit, remote from the distal end of the endoscopic instrument. The end effector may be, for example, a gripper, a pair of scissors or the like. Equally conceivable, however, is to provide an optic as the end effector, by means of which the surgical site can be observed. Alternatively, the end effector is a particular diagnostic sensor such as an ultrasonic sensor. If a coupling is provided for an end effector, the end effector is made removable, so that several different end effectors can be used with only one endoscopic instrument.
Erfindungsgemäß sind die Abschnitte durch die Gelenkmechanismen unabhängig voneinander krümmbar und/oder knickbar. Ein krümmbarer Abschnitt weist dabei eine deterministische Krümmung auf und insbesondere einen Radius, wobei die Krümmung des krümmbaren Abschnittes vorzugsweise vom Anfang des krümmbaren Abschnitts bis zum Ende des krümmbaren Abschnitts im Wesentlichen konstant bleibt, sodass der krümmbare Abschnitt insbesondere im Wesentlichen einem Kreisbogensegment folgt. Bei einem knickbaren Abschnitt wird hingegen kein kontinuierlicher Verlauf vom Anfang des knickbaren Abschnitts zum Ende des knickbaren Abschnitts gewährleistet. Vielmehr wird durch den Gelenkmechanismus des knickbaren Abschnitts insbesondere um eine einzelne Drehachse abgewinkelter Verlauf erzeugt. Die Knickungen erfolgen ebenfalls deterministisch. Insbesondere müssen dabei die einzelnen Abs Abschnitte nicht gleich lang sein. Vorzugsweise sind jedoch die krümmbaren Gelenkmechanismen identisch ausgebildet und somit gleichlang und zusätzlich oder alternativ sind vorzugsweise die knickbaren Abschnitte identisch ausgebildet.According to the invention, the sections can be bent and / or bent independently of one another by the hinge mechanisms. In this case, a curvable section has a deterministic curvature, and in particular a radius, wherein the curvature of the curvable section preferably remains substantially constant from the beginning of the curvable section to the end of the curvable section, so that the curvable section substantially follows in particular a circular arc segment. By contrast, in the case of a bendable section, a continuous course from the beginning of the bendable section to the end of the bendable section is not ensured. Rather, in particular an angle of rotation about an individual axis of rotation is generated by the articulated mechanism of the bendable section. The buckling also takes place deterministically. In particular, the individual Abs sections do not have to be the same length. Preferably, however, the bendable joint mechanisms are identically formed and thus the same length and, in addition or alternatively, preferably the bendable portions are formed identically.
Somit ist erfindungsgemäß durch eine sinnvolle Kaskadierung mehrerer krümmender bzw. knickender Abschnitte mit entsprechenden krümmenden bzw. knickenden Gelenkmechanismen eine größere Variabilität beim Führen eines endoskopischen Instruments gegeben. Die Kaskadierung erlaubt dabei neue Einsatzgebiete in der MIC durch das Umgreifen von Strukturen, wie dem Herz oder dem Peritonealsack, was Operationen durch andere schonendere Zugänge im Verglich zur derzeit praktizierten Technik erst ermöglicht. Dies erlaubt auch das Operieren an der Herzhinterwand bei geschlossenem Thorax, eine Operation, die bisher ausschließlich der offenen Chirurgie vorbehalten ist. Dies begründet sich z.B. mit der Tatsache, dass zum Erreichen der Herzhinterwand Zugänge durch den Rücken (auch im minimal invasiven Falle), speziell wegen der Gefahr der Verletzung von aus dem Rückenmark ausstrahlenden Nervenbahnen sowie der sensiblen Rückenmuskulatur, nicht möglich sind. Das Herz ist chirurgisch nur durch Zugänge von vorn oder seitlich zu erreichen, für Operationen an der Herzhinterwand muss das Organ bei eröffnetem Thorax aus der Herzhöhle heraus luxiert werden. Durch das erfindungsgemäße endoskopische Instrument kann das Organ umgriffen werden, und somit Instrumente von vorn oder seitlich hinter das Organ gebracht werden, um dort operieren zu können, wobei auf eine Luxation bzw. auf die traumatisierende offene Methodik verzichtet werden kann.Thus, according to the invention, greater variability in guiding an endoscopic instrument is provided by a meaningful cascading of a plurality of curving or buckling sections with corresponding curving or bending joint mechanisms. The cascading allowed new fields of application in the MIC by embracing structures such as the heart or the peritoneal bag, which allows operations by other gentler approaches in comparison to the currently practiced technology. This also allows surgery on the posterior wall of the heart with the thorax closed, an operation previously reserved for open surgery only. This is due, for example, to the fact that it is not possible to reach the heart's posterior wall through the back (even in the minimally invasive case), especially because of the risk of injury to nerve tracts radiating from the spinal cord and the sensitive back muscles. The heart can be reached surgically only by access from the front or the side, for operations on the back of the heart, the organ must be dislocated out of the heart cavity when the thorax is opened. By means of the endoscopic instrument according to the invention, the organ can be encompassed, and thus instruments can be brought from the front or the side behind the organ in order to be able to operate there, whereby dislocation or traumatic open methodology can be dispensed with.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit sind degenerative Bandscheibenerkrankungen, z.B. mit Schmerzen in Rücken und Beinen, die eine operative Versteifung von Wirbelsäulensegmenten (Spondylodese) erforderlich machen. Die Versteifung kann vom Rücken her (PLIF = posterior lumbar interbody fusion) oder vom Bauch her (ALIF = anterior lumbar interbody fusion) erfolgen. Eine Versteifung kann einerseits durch (teilweises) Ausräumen der Bandscheibe sowie Implantation eines Distanzhalters (Cage) gefüllt mit Knochenmaterial erfolgen, wobei das Knochenmaterial den Bandscheibenspalt über Wochen bis Monate auffüllen und die benachbarten Wirbelkörper knöchern versteifen wird. Andererseits können in die Wirbelkörper Halterungen geschraubt werden, die mit längs der Wirbelsäule verlaufenden Stäben (Harrington-Stäbe) verbunden und damit versteift werden (Fixateur interne). Auch eine Kombination beider Verfahren ist möglich. Vorteil der ALIF ist, dass die Rückenmuskulatur sowie die Innervierung des Rückens unverletzt bleiben. Außerdem ist das Anwachsverhalten des Knochenmaterials durch die höhere Kompression an der Vorderseite der Wirbelsäule besser. Von vorn können auch größere Cages implantiert werden, die eine bessere Primärstabilität versprechen. Die Anlage eines Fixateur interne ist allerdings von anterior (noch) nicht möglich. Der erforderliche chirurgische Zugang von ventral hat eine Länge von immerhin 7-15 cm. Wegen des vertikalen Verlaufs des bauchseitigen Rückenmuskels muss dieser bei der ALIF nicht durchtrennt werden, sondern kann beiseitegeschoben werden. Ebenso kann der Peritonealsack für den anterioren Zugang geschlossen bleiben, muss aber beiseitegeschoben und teils umgriffen werden. Transperitoneale Zugänge mit Eröffnung des Peritonealsacks werden wegen häufiger zusätzlicher visceraler Komplikationen nur selten gelegt. Endoskopische ALIF-Zugänge wurden in der Vergangenheit versucht, wegen des Risikos einer Verletzung der direkt der Wirbelsäule anliegenden großen Gefäße (Aorta bzw. Vena cava) aber aufgegeben. Häufig wird die ALIF in Kooperation mit Gefäßchirurgen durchgeführt, die zunächst die großen Gefäße mobilisieren. Nach Beiseiteschieben der großen Gefäße kann die Bandscheibe ausgeräumt und der Cage sowie das Knochenmaterial eingebracht werden. Durch das erfindungsgemäße endoskopische Instrument, welches Abschnitte aufweist, die unabhängig voneinander krümmbar oder knickbar sind, ist eine Operation der Bandscheiben vom Bauch her möglich, wobei die Mobilisierung großer Gefäße nicht mehr erforderlich ist, da diese umgriffen werden können. Auch eine Eröffnung des Peritonealsacks kann vermieden werden, da auch dieser durch das erfindungsgemäße endoskopische Instrument umgriffen werden kann.Another application is degenerative disc disease, e.g. with pain in the back and legs that require surgical stiffening of spinal segments (spinal fusion). The stiffening can be done from the back (PLIF = posterior lumbar interbody fusion) or from the abdomen (ALIF = anterior lumbar interbody fusion). A stiffening can be done on the one hand by (partial) clearing of the disc and implantation of a spacer (cage) filled with bone material, the bone material filling the intervertebral disc gap over weeks to months and the adjacent vertebral body will bony stiffen. On the other hand, holders can be screwed into the vertebral bodies, which are connected to stiffening along the spine rods (Harrington rods) and thus stiffened (internal fixator). A combination of both methods is possible. The advantage of the ALIF is that the back muscles and the innervation of the back remain uninjured. In addition, the growth behavior of the bone material is better due to the higher compression on the front of the spine. From the front, larger cages can be implanted, which promise a better primary stability. The installation of an internal fixator, however, is not (yet) possible from anterior. The required surgical access from ventral has a length of at least 7-15 cm. Because of the vertical course of the abdominal back muscle, this does not have to be severed in the ALIF, but can be pushed aside. Similarly, the peritoneal sac may remain closed for the anterior approach, but must be pushed aside and partially grasped. Transperitoneal approaches with opening of the peritoneal sac are rarely performed because of frequent additional visceral complications. Endoscopic ALIF approaches have been attempted in the past, but abandoned because of the risk of injury to the large vessels directly adjacent to the spine (aorta or vena cava). ALIF is often performed in cooperation with vascular surgeons who first mobilize the large vessels. After pushing aside the large vessels, the intervertebral disc can be cleared and the cage and the bone material introduced. By means of the endoscopic instrument according to the invention, which has sections which can be bent or bent independently of one another, an operation of the intervertebral discs is possible from the abdomen, the mobilization of large vessels no longer being necessary since they can be grasped. An opening of the peritoneal sac can also be avoided, since this too can be encompassed by the endoscopic instrument according to the invention.
Der krümmbare Gelenkmechanismus weist mehrere über Hauptgelenke miteinander verbundene in der Reihe angeordnete Glieder auf. Darüber hinaus weist der krümmbare Gelenkmechanismus Verbindungselemente auf, die jeweils ein Glied mit dem übernächsten Glied verbinden. Dabei weist der krümmbare Gelenkmechanismus mehrere zueinander in zwei Freiheitsgraden verschwenkbare Glieder auf. Die Glieder sind insbesondere kettenartig angeordnet. Die Hauptgelenke sind insbesondere derart aufgebaut, dass sie zwei sich vorzugsweise kreuzende Schwenkachsen zur Ausbildung je eines der beiden Freiheitsgrade aufweisen. Dabei wird vorzugsweise die eine Achse in einem Glied geführt und die zweite Achse im benachbarten Glied geführt. Dabei sind die jeweils an einem Glied vorgesehenen Schwenkachsen zueinander parallel. Die Schwenkachse des unmittelbar benachbarten Gliedes ist senkrecht zu diesen Schwenkachsen. Insbesondere sind die Schwenkachsen benachbarter Glieder eines kettenartigen Gelenkmechanismusses zyklisch jeweils um 90° gedreht bzw. zyklisch abwechselnd orientiert. Bspw. sind die Schwenkachsen jedes zweiten Gliedes horizontal ausgerichtet, während die Schwenkachsen der jeweils dazwischen angeordneten Glieder vertikal angeordnet sind. Ferner sind jeweils zwei Glieder des krümmbaren Gelenkmechanismusses über Verbindungselemente miteinander verbunden. Durch Vorsehen der Verbindungselemente erfolgt eine deterministische Zwangsführung sämtlicher Glieder des krümmbaren Gelenkmechanismusses. Durch ein derartiges deterministisches Abwinkeln der einzelnen Glieder ist ein sehr präzises Führen eines am distalen Ende des Gelenkmechanismusses angebrachten funktionalen Endes, insbesondere im Körperinneren beim Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie, möglich.The foldable hinge mechanism has a plurality of links arranged in series via main hinges. In addition, the foldable hinge mechanism has connecting elements, each connecting one link to the next but one link. In this case, the curvable joint mechanism has a plurality of links pivotable in two degrees of freedom. The links are arranged in particular like a chain. The main joints are in particular constructed in such a way that they have two pivot axes which preferably cross each other for the purpose of forming one of the two degrees of freedom. In this case, preferably one axis is guided in one member and the second axis is guided in the adjacent member. In this case, each provided on a member pivot axes are parallel to each other. The pivot axis of the immediately adjacent member is perpendicular to these pivot axes. In particular, the pivot axes of adjacent links of a chain-like joint mechanism are cyclically rotated by 90 ° and cyclically alternately oriented. For example. For example, the pivot axes of each second link are horizontally aligned while the pivot axes of the links therebetween are vertically aligned. Furthermore, in each case two members of the bendable Gelenkmechanismusses are connected to each other via connecting elements. By providing the connecting elements, there is a deterministic forced guidance of all members of the bendable joint mechanism. By such a deterministic bending of the individual limbs, a very precise guiding of a functional end attached to the distal end of the joint mechanism, in particular in the interior of the body when used in minimally invasive surgery, is possible.
Insbesondere weist das endoskopische Instrument mindestens einen krümmbaren Abschnitt auf. Vorzugsweise sind alle Abschnitte krümmbar. Da hierbei auf knickbare Abschnitte verzichtet wird, verläuft eine neutrale Faser entlang des gesamten endoskopischen Instruments vom proximalen zum distalen Ende, durch die beispielsweise eine optische Faser geführt werden kann, sodass am distalen Ende als Endeffektor eine Optik vorgesehen werden kann. Hierdurch ist es möglich mit der Optik ebenfalls Organe zu umgreifen und hinter diese zu blicken oder mit der Optik deterministisch Hohlorganen zu folgen, ohne sich an den Hohlorganen selbst abzustützen, was zu Druckschäden an diesen Organen führen würde. Insbesondere kann der zum Endeffektor oder der Kopplung für den Endeffektor weisende letzte distale Abschnitt knickbar ausgebildet sein. Hierbei wird eine größere Beweglichkeit des Endeffektors erreicht auf möglichst kleinem Raum. Da knickbare Abschnitte einen geringen Raumbedarf zum Durchführen ihrer Bewegung aufweisen, ist es besonders vorteilhaft den letzten Abschnitt knickbar auszugestalten, da hier einerseits für die Operation eine hohe Beweglichkeit des Endeffektors gewährleistet werden muss und andererseits nur ein geringer Raum für Bewegungen zur Verfügung steht. In particular, the endoscopic instrument has at least one bendable section. Preferably, all sections are bendable. Since there is no need for bendable sections, a neutral fiber runs along the entire endoscopic instrument from the proximal to the distal end, through which, for example, an optical fiber can be guided so that an optic can be provided at the distal end as the end effector. This makes it possible with the optics also to encompass organs and look behind them or deterministically follow the optics with the optic organs, without supporting themselves on the hollow organs themselves, which would lead to pressure damage to these organs. In particular, the last distal section pointing towards the end effector or the coupling for the end effector can be made bendable. Here, a greater mobility of the end effector is achieved in the smallest possible space. Since kinkable sections have a small space required to carry out their movement, it is particularly advantageous to make the last section kinkable, since on the one hand for the operation a high mobility of the end effector must be ensured and on the other hand, only a small space for movements available.
Bevorzugt weist das endoskopische Instrument ausschließlich ausgehend von der Antriebseinheit oder der Kopplung für eine Antriebseinheit in dieser Reihenfolge mindestens zwei krümmende Abschnitte und einen knickbaren Abschnitt auf. Jeder weitere krümmende Abschnitt erweitert hierbei die intrakorporale Beweglichkeit des endoskopischen Instruments. Wie oben bereits beschrieben, erweitert ein distal angeordneter knickender Abschnitt die Beweglichkeit am Operationssitus.Preferably, the endoscopic instrument has at least two curved sections and one bendable section exclusively in this sequence, starting exclusively from the drive unit or the coupling for a drive unit. Each further curved section extends the intracorporeal mobility of the endoscopic instrument. As described above, a distally located kinking section extends the range of motion at the surgical site.
Vorzugsweise ist ein Sensor vorgesehen, der distal angeordnet ist. Durch die distale Anordnung des Sensors werden Einflüsse auf die Messung vermieden, die nicht direkt aus dem interessierenden Operationsgebiet stammen. Vorzugsweise ist dabei jedoch der Sensor ausgehend von der Antriebseinheit oder der Kopplung für eine Antriebseinheit vor dem ersten knickbaren Abschnitt angeordnet, da es nicht möglich ist, durch einen knickbaren Abschnitt eine dauerfeste optische oder elektrische Verbindung herzustellen. Insbesondere weisen die knickbaren Abschnitte keine neutrale Faser auf, durch welche Kabel oder optische Fasern als Anschluss für den Sensor geführt werden können und vor einer Abknickung geschützt werden. Somit wird, insbesondere bei der Ausbildung des endoskopischen Instruments in der der letzte, distale Abschnitt als knickender Abschnitt ausgebildet ist, der Sensor maximal distal angeordnet, insbesondere handelt es sich bei dem Sensor um einen Positionssensor zur Erfassung der Position des Endeffektors. Vorzugsweise handelt es sich jedoch bei dem Sensor um einen Kraft-/Momentsensor, wobei durch die distale Anordnung insbesondere vor dem ersten knickbaren Abschnitt gleichzeitig eine dauerfeste Anbindung des Positionssensors und/oder Kraft-/Momentsensors an die Antriebseinheit gewährleistet ist. Alternativ hierzu kann es sich bei dem Sensor um einen diagnostischen Sensor wie z. B. einen Ultraschallsensor handeln. Preferably, a sensor is provided which is arranged distally. The distal arrangement of the sensor avoids influences on the measurement that are not directly derived from the surgical field of interest. Preferably, however, the sensor is arranged starting from the drive unit or the coupling for a drive unit in front of the first bendable section, since it is not possible to produce a durable optical or electrical connection by means of a bendable section. In particular, the kinkable sections have no neutral fiber, through which cables or optical fibers can be guided as a connection for the sensor and are protected from kinking. Thus, especially in the formation of the endoscopic instrument in which the last, distal portion is formed as a kinking portion, the sensor is arranged at a maximum distally, in particular, the sensor is a position sensor for detecting the position of the end effector. Preferably, however, the sensor is a force / torque sensor, wherein a permanent connection of the position sensor and / or force / torque sensor to the drive unit is ensured by the distal arrangement, in particular in front of the first bendable portion. Alternatively, it may be the sensor to a diagnostic sensor such. B. act an ultrasonic sensor.
Insbesondere weist die Antriebseinheit mindestens einen Abtrieb pro Gelenkmechanismus bzw. Krümmungs- oder Knickungsebene auf. Hierdurch wird ein deterministisches Verhalten der einzelnen Gelenkmechanismen gewährleistet, sodass ein präzises Ansteuern des Endeffektors zum Operationsgebiet hin gewährleistet ist. Gleichzeitig kann die Ansteuerung des endoskopischen Instruments robotergesteuert erfolgen, insbesondere deshalb, weil die Kinematik deterministisches Verhalten aufweist. Für eine optionale, zusätzliche Verbesserung der Positionierungsqualität kann eine interne Krümmungssensorik insbesondere ausgebildet als Positionssensor auf Gelenkebene integriert werden. Außerdem ist es möglich, diagnostische Sensoren am distalen Instrumentenende so zu integrieren, dass deren Kabel- bzw. Faseranbindung dauerfest gekrümmt (nicht geknickt) wird, insbesondere ausgebildet als Kraft-/Moment-Sensor für Interaktionskräfte zwischen Roboter und Gewebe oder als Ultraschallsensor für Gewebeuntersuchungen.In particular, the drive unit has at least one output per joint mechanism or curvature or buckling plane. As a result, a deterministic behavior of the individual joint mechanisms is ensured, so that a precise control of the end effector to the operation area is guaranteed. At the same time, the control of the endoscopic instrument can be robot-controlled, in particular because the kinematics have deterministic behavior. For an optional, additional improvement of the positioning quality, an internal curvature sensor system, in particular, can be integrated as a position sensor on the joint plane. In addition, it is possible to integrate diagnostic sensors at the distal end of the instrument so that their cable or fiber connection is permanently bent (not kinked), in particular designed as a force / moment sensor for interaction forces between robot and tissue or as an ultrasonic sensor for tissue examinations.
Insbesondere weist die Antriebseinheit eine Vielzahl von Antrieben auf, wobei jeder Antrieb mit maximal einem Gelenkmechanismus verbunden ist, um diesen anzutreiben. Hierdurch wird ein gezieltes Ansteuern der einzelnen Gelenkmechanismen gewährleistet, was zu einem deterministischen Verhalten des endoskopischen Instruments und der Bewegung des endoskopischen Instruments führt.In particular, the drive unit has a plurality of drives, wherein each drive is connected to a maximum of one hinge mechanism in order to drive it. This ensures targeted activation of the individual joint mechanisms, which leads to a deterministic behavior of the endoscopic instrument and the movement of the endoscopic instrument.
Insbesondere weist der knickbare Gelenkmechanismus, welcher die knickbaren Abschnitte definiert, genau ein Gelenk auf. Dieses kann ausgebildet sein als Kardangelenk, als Drehgelenk, als Kugelgelenk, als Sattelgelenk oder als Scharniergelenk oder dergleichen. Hierbei weist der knickbare Gelenkmechanismus ein Gelenk auf, welches um eine Achse beweglich ausgebildet ist oder alternativ hierzu ein Gelenk auf, welches um mehr als eine Achse beweglich ausgebildet ist.In particular, the foldable hinge mechanism, which defines the bendable sections, exactly one joint. This can be designed as a universal joint, as a swivel joint, as a ball joint, as a saddle joint or as a hinge joint or the like. In this case, the bendable joint mechanism has a joint which is designed to be movable about an axis or, alternatively, to a joint which is designed to be movable about more than one axis.
Vorzugsweise sind die Verbindungselemente derart angeordnet, dass jeweils ein Glied mit dem übernächsten Glied verbunden ist, sodass ein dazwischen angeordnetes Glied überbrückt ist. Bevorzugt ist es ferner, dass zwei Verbindungselemente ein Verbindungselemente-Paar ausbilden. Das Verbindungselemente-Paar, das insbesondere mindestens zwei Verbindungselemente aufweist, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass durch die Verbindungselemente vorzugsweise zwei identische Glieder miteinander verbunden werden. Erste Enden der beiden Verbindungselemente sind somit mit ein und demselben Glied und zweite Enden mit ein und demselben anderen Glied verbunden, so dass sich die beiden Verbindungselemente zwischen zwei Gliedern erstrecken.Preferably, the connecting elements are arranged such that in each case one member is connected to the next but one member, so that a member arranged therebetween is bridged. It is further preferred that two connecting elements form a pair of connecting elements. The connecting element pair, which in particular has at least two connecting elements, is preferably designed such that preferably two identical links are formed by the connecting elements be connected to each other. First ends of the two connecting elements are thus connected to one and the same member and second ends connected to one and the same other member, so that the two connecting elements extend between two members.
Alternativ weist der krümmbare Gelenkmechanismus mehrere zueinander in zwei Freiheitsgraden verschwenkbare Glieder auf. Die Glieder sind insbesondere kettenartig angeordnet, wobei zwischen benachbarten Gliedern Gelenkelemente vorgesehen sind. Ferner weist der Gelenkmechanismus erste und zweite Verbindungselemente auf. Die ersten Verbindungselemente sowie die zweiten Verbindungselemente dienen dazu, zueinander benachbarte Glieder miteinander zu verbinden. Erfindungswesentlicher Aspekt besteht hierbei darin, dass die ersten Verbindungselemente zu den zweiten Verbindungselementen in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Da die ersten und zweiten Verbindungselemente in zwei Ebenen angeordnet sind, ist eine Zwangsführung der Abwinklung in zwei Ebenen über alle Gelenke realisiert. Hierbei ist es be bevorzugt, dass die beiden Ebenen senkrecht zueinander stehen. Insbesondere bilden das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement jeweils ein Verbindungselemente-Paar. Die beiden Verbindungselemente, die jeweils eine Ebene definieren, sind derart angeordnet, dass die Ebenen einen Winkel zueinander ausbilden, insbesondere senkrecht aufeinander stehen.Alternatively, the foldable hinge mechanism has a plurality of links pivotable in two degrees of freedom. The links are arranged in particular like a chain, wherein joint elements are provided between adjacent links. Furthermore, the hinge mechanism on first and second connecting elements. The first connecting elements and the second connecting elements serve to connect adjacent members with each other. An aspect which is essential to the invention here is that the first connecting elements to the second connecting elements are arranged in different planes. Since the first and second connecting elements are arranged in two planes, a positive guidance of the angling is realized in two planes over all joints. In this case, it is preferable that the two planes are perpendicular to each other. In particular, the first connection element and the second connection element each form a connection element pair. The two connecting elements, each defining a plane, are arranged such that the planes form an angle to each other, in particular perpendicular to each other.
Das Verbindungselemente-Paar, das insbesondere zwei Verbindungselemente aufweist, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass durch die Verbindungselemente zwei identische Glieder miteinander verbunden werden. Erste Enden der beiden Verbindungselemente sind somit mit ein und demselben Glied und zweite Enden mit ein und demselben anderen Glied verbunden, so dass sich die beiden Verbindungselemente zwischen zwei Gliedern erstrecken.The pair of connecting elements, which in particular has two connecting elements, is preferably designed such that two identical links are connected to one another by the connecting elements. First ends of the two connecting elements are thus connected to one and the same member and second ends connected to one and the same other member, so that the two connecting elements extend between two members.
Die Verbindungselemente sind vorzugsweise gelenkig mit den Gliedern verbunden. Insbesondere handelt es sich hierbei um ein Kugelgelenk.The connecting elements are preferably hingedly connected to the links. In particular, this is a ball joint.
Insbesondere sind die Verbindungselemente-Paare derart angeordnet, dass sie ein Glied jeweils mit dem übernächsten Glied verbinden. Zwischen zwei über ein Verbindungselemente-Paar miteinander verbundenen Gliedern ist somit ein weiteres Glied angeordnet. Auch dieses dazwischenliegende Glied ist vorzugsweise über ein weiteres Verbindungselemente-Paar wiederum mit dem übernächsten Glied verbunden. Hierdurch entsteht eine Überlappung von Verbindungselemente-Paaren, die jeweils übernächste Glieder miteinander verbinden.In particular, the connecting element pairs are arranged such that they each connect a member to the next-but-one member. Between two via a pair of connecting elements interconnected links thus another member is arranged. Also, this intermediate member is preferably connected via another pair of fasteners turn to the next-but-one member. This creates an overlap of pairs of connecting elements, each of which connects the next but one links.
Alternativ weist der krümmbare Gelenkmechanismus mehrere bevorzugt konstruktiv in den Abmessungen identische miniaturisierte Elemente auf, wobei diese Elemente nur aus zwei Bauteilen, einer Koppel und einer Schwinge, bestehen. Die Elemente sind dabei so aneinander gekoppelt, dass bei einer Schwenkung alle diese Elemente eine ähnliche Bewegung vollführen. Bei einer Krümmung von zwei aufeinander folgenden Elementen ist das erste Element um einen Winkel φ ausgelenkt gegenüber seiner Nullposition bzw. der Position in unausgelenkten Zustand. Durch die Zwangsbewegung erzeugt durch die Koppel, ist das zweite Element gegenüber dem ersten Element ebenfalls um einen Winkel φ ausgelenkt, sodass sich durch die zwei gekrümmten Elemente insgesamt eine Auslenkung ip ergibt, welche gerade im Wesentlichen dem Doppelten des Winkels φ entspricht. Bei einem Gelenkmechanismus mit mehr als zwei Elementen addieren sich die im Wesentlichen identischen Winkel φ auf, wodurch die Krümmung des krümmbaren Gelenkmechanismus erzeugt wird. Die Winkel können jedoch auch unterschiedlich sein, sind jedoch bestimmt.Alternatively, the foldable hinge mechanism has a plurality of preferably miniaturized elements of identical design dimensions, these elements consisting of only two components, a coupling and a rocker. The elements are coupled to each other so that when pivoting all these elements perform a similar movement. With a curvature of two successive elements, the first element is deflected by an angle φ with respect to its zero position or the position in undeflected state. Due to the positive movement generated by the coupling, the second element is also deflected relative to the first element by an angle φ, so that a total deflection ip results by the two curved elements, which corresponds to substantially equal to twice the angle φ. In a hinge mechanism with more than two elements, the substantially identical angles φ add up, thereby producing the curvature of the bendable hinge mechanism. However, the angles may be different, but are determined.
Vorzugsweise sind die Gelenkmechanismen der krümmenden Abschnitte ausgebildet wie in der
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments.
Es zeigen:
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1 drei mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments in einer schematisch dargestellten Operationssituation, -
2 eine schematische Darstellung eines krümmenden Gelenkmechanismusses -
3 eine alternative Ausgestaltung eines Gelenks mit drei Freiheitsgraden zwischen einem Verbindungselement und einem Glied, bei dem krümmenden Gelenkmechanismus der2 und -
4 eine alternative Ausführungsform eines krümmenden Gelenkmechanismusses.
-
1 three possible embodiments of the endoscopic instrument according to the invention in a schematically illustrated surgical situation, -
2 a schematic representation of a curving Gelenkmechanismusses -
3 an alternative embodiment of a joint with three degrees of freedom between a connecting element and a member, in the curving hinge mechanism of the2 and -
4 an alternative embodiment of a curving Gelenkmechanismusses.
Die endoskopischen Instrumente
Das endoskopische Instrument
Die endoskopischen Instrumente
Das endoskopische Instrument
In dem dargestellten schematischen ersten Ausführungsbeispiel in
Die Schenkachsen der einzelnen Glieder
Jeweils zwei Glieder sind über erste Verbindungselemente
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Verbindungselemente
Die ersten Verbindungselemente
Die zweiten Verbindungselemente
Die Gelenkeinrichtung
Die Gelenkeinrichtung
Das zweite Ende des zweiten Verbindungselements
Auch das Gelenk
In einer alternativen Ausführungsform gezeigt in der
Das erste Verbindungselement
Wie aus der
Das dargestellte Verbindungselemente-Paar
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