DE69735708T2

DE69735708T2 - Vorrichtung zum durchführen von minimal invasiven prozeduren am herzen

Info

Publication number: DE69735708T2
Application number: DE69735708T
Authority: DE
Inventors: Yulun Goleta WANG; R. Darrin Santa Barbara UECKER; Phillip Keith Santa Barbara LABY; Jeff Santa Barbara WILSON; Steve Santa Barbara JORDAN; James Santa Barbara WRIGHT; Modjtaba Santa Barbara GHODOUSSI
Original assignee: Intuitive Surgical Inc
Current assignee: Intuitive Surgical Inc
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: US6102850A; KR19990087101A; US5855583A; RU2233626C2; IL125822A; JP2000505328A; US20080228196A1; ATE323446T1; CN1216454A; CA2547686A1; US20030100817A1; DE69735708D1; US20050228365A1; CA2246713A1; EP0883376B1; US6007550A; CA2246713C; US6905460B2; US7695481B2; CA2547686C

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Durchführen von Minimal Invasiven Herzoperationen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Robotersystem und chirurgische Instrumente, die entfernbar daran befestigt sind, wobei das System beim Durchführen von Minimal Invasive Herzoperationen unterstützt.
2. Beschreibung relevanter Technik
Eine Verstopfung einer koronaren Arterie kann dem Herz das Blut und den Sauerstoff entziehen, welches bzw. welchen es zum Aufrechterhalten des Lebens benötigt. Die Verstopfung kann mit einer medikamentösen Behandlung oder mit einer Angioplastie entfernt werden. Bei einer schwerwiegenden Verstopfung wird ein Koronaraterien-Bypass (CABG) gelegt, um den verstopften Bereich der Arterie zu umgehen. CABG-Operationen werden üblicherweise durchgeführt, indem das Brustbein geteilt wird und die Brusthöhle aufgezogen wird, um einen Zugang zu dem Herzen bereitzustellen. Benachbart zu dem verstopften Bereich wird ein Einschnitt in die Arterie vorgenommen. Die innere Brustarterie (IMA) wird dann abgetrennt und bei dem Punkt des Einschnittes an der Arterie befestigt.
Die IMA umgeht den verstopften Bereich der Arterie, um wieder einen normalen Blutfluß zu dem Herzen herzustellen. Ein Teilen des Brustbeins und Öffnen der Brusthöhle, üblicherweise als "offene Chirurgie" bezeichnet, kann bei dem Patienten eine gewaltige Wunde verursachen. Darüber hinaus verlängert das gespaltene Brustbein die Genesungszeit des Patienten.
Es wurden Versuche unternommen, CABG-Operationen ohne ein Öffnen der Brusthöhle durchzuführen. Minimal Invasive Operationen wurden durchgeführt, indem chirurgische Instrumente und ein Endoskop durch einen kleinen Einschnitt in der Haut des Patienten eingeführt wurden. Ein Handhaben solcher Instrumente kann schwierig sein, insbesondere wenn ein Transplantat an eine Arterie genäht wird. Es wurde gefunden, daß ein hohes Maß an Geschicklichkeit erforderlich ist, um die Instrumente exakt zu führen. Darüber hinaus weisen menschliche Hände üblicherweise zumindest ein geringes Zittern auf. Das Zittern erhöht die Schwierigkeit, Minimal Invasive Herzoperationen durchzuführen, weiter.
Um eine MIS durchzuführen, verwendet der Chirurg spezielle Instrumente. Diese Instrumente ermöglichen es dem Chirurgen, in dem Patienten zu manövrieren. Eine Art von Instrument, das bei der Minimal Invasiven Chirurgie verwendet wird, ist eine Zange (forceps), ein Instrument mit einer Spitze, die speziell zum Greifen von Objekten wie beispielsweise Nadeln gestaltet ist. Da für die Minimal Invasive Chirurgie entworfene Zangen und andere Instrumente üblicherweise lang und starr sind, können sie einem Chirurgen nicht die Geschicklichkeit und Genauigkeit bereitstellen, die notwendig ist, um effektiv viele Operationen auf eine minimal-invasive Art durchzuführen. Beispielsweise sind übliche MIS-Zangen zum Handhaben einer Nadel bei einer Minimal Invasiven Operation wie beispielsweise während einer Endoskopie nicht gut geeignet. Daher wurden viele MIS-Operationen, die durchgeführt werden könnten, bis jetzt nicht durchgeführt.
Im Wesentlichen können bei offenen Operationen die Spitzen der verschiedenen Instrumente mit sechs Freiheitsgraden angeordnet werden. Jedoch gehen zwei Freiheitsgrade verloren, wenn ein Instrument durch eine kleine Öffnung, wie sie beispielsweise in einem Patienten zum Durchführen einer Minimal Invasiven Operation gemacht wird, eingeführt wird. Es ist dieser Verlust der Bewegungsfreiheit innerhalb des Operationsfeldes, der die Arten von durchgeführten MIS-Operationen wesentlich begrenzt hat.
Die Geschicklichkeit fehlt bei MIS, da die verwendeten Instrumente nicht die zusätzlichen Freiheitsgrade bereitstellen können, die verloren gehen, wenn das Instrument in einen Patienten eingeführt wird. Ein mit der fehlenden Geschicklichkeit verbundenes Problem ist die Unmöglichkeit zu nähen, wenn sich die Instrumente in bestimmten Positionen befinden. Demzufolge können Operationen, die umfangreiches Nähen in dem Operationsfeld erfordern, fast unmöglich durchgeführt werden, da die chirurgischen Instrumente, die einen Großteil dieser Arbeit ermöglichen, nicht verfügbar sind.
Ein weiteres mit MIS verbundenes Problem ist die fehlende Präzision in dem Operationsfeld. Bei Operationen wie beispielsweise der MICABG (Minimal Invasiver Koronalarterien-Bypass) müssen extrem kleine Nähte an verschiedenen Stellen in der Nähe des Herzens angeordnet werden. Daher ist eine präzise Bewegung des Werkzeuges an der Spitze eines chirurgischen Instrumentes notwendig. Gegenwärtig ist die notwendige Präzision für ein solches Nähen mit den handgeführten Instrumenten nicht gegeben.
Daher besteht in der Technik ein Bedarf nach einem Werkzeug und einer Klasse von chirurgischen Instrumenten, die gelenkig in dem Patienten bewegt werden können, so daß ein Chirurg zusätzliche Freiheitsgrade zur Verfügung hat, um das Werkzeug an der Spitze des Instrumentes geschickter und präziser anzuordnen.
Darüber hinaus wird in der Technik ein Verfahren und ein Mechanismus benötigt, das bzw. der die Möglichkeit bereitstellt, ein Instrument und ein Werkzeug einfach zu wechseln, so daß verschiedene Werkzeuge einfach und leicht ersetzt werden können, um schnellere Operationen zu ermöglichen, um so die Operationssaalkosten für den Patienten zu verringern und die Zeit zu verringern, die ein Patient unter Narkose steht.
Es ist die Lösung der zuvor erwähnten Probleme, worauf die vorliegende Erfindung gerichtet ist.
Ein Beispiel einer Anordnung gemäß dem Stand der Technik für einen fernbedienten Manipulator ist in der WO 9313916 A (Stanford Research Institute International) mit dem Titel "Teleoperator System and Method with Telepresence" beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Durchführen von Minimal Iinvasiven Herzoperationen, wie es in den beigefügten Ansprüchen angegeben und beansprucht ist. Das System kann ein Paar von oder mehrere chirurgische Instrumente umfassen, die mit einem Paar von Roboterarmen gekoppelt sind. Das System kann ferner lediglich ein einziges chirurgisches System und einen einzigen Roboterarm umfassen und wird als solches folgend beschrieben. Die Instrumente weisen End-Effektoren auf, die zum Öffnen, Halten, Kauterisieren und Nähen von Geweben betätigt werden können. Die Roboterarme sind über eine Steuereinrichtung mit einem Paar von Master-Handhaben gekoppelt. Die Handhaben können von dem Chirurgen zum Erzeugen einer entsprechenden Bewegung der End-Effektoren bewegt werden. Die Bewegung der Handhaben wird skaliert, so daß die End-Effektoren eine entsprechende Bewegung durchführen, die unterschiedlich ist, und zwar üblicherweise geringer als die Bewegung, die von den Händen des Chirurgen ausgeführt wird. Dies hilft beim Entfernen jeglichen Zitterns, welches der Chirurg in den Händen haben mag. Der Skalierungsfaktor ist einstellbar, so daß der Chirurg die Auflösung der Bewegung der End-Effektoren steuern kann. Die Bewegung der End-Effektoren kann über eine Eingabetaste gesteuert werden, so daß sich die End-Effektoren nur bewegen, wenn die Taste gedrückt ist oder von dem Chirurgen festgestellt ist. Die Eingabetaste ermöglicht es dem Chirurgen, die Position der Handhaben zu justieren, ohne den End-Effektor zu bewegen, so daß die Handhaben in eine komfortablere Position bewegt werden können. Das System kann auch ein von einem Roboter gesteuertes Endoskop aufweisen, welches es dem Chirurgen ermöglichen, das Operationsfeld von der Ferne zu beobachten. Eine Herzoperation kann durchgeführt werden, indem kleine Einschnitte in der Haut des Patienten gemacht werden und die Instrumente und das Endoskop in den Patienten eingeführt werden. Der Chirurg betätigt die Handhaben und bewegt die End-Effektoren, um eine Herzoperation wie beispielsweise einen Koronararterie-Bypass oder eine Herzklappenoperation durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung ist darüber hinaus auf ein chirurgisches Instrument gerichtet, welches es dem Chirurgen ermöglicht, die Spitze des Instrumentes gelenkig zu bewegen, während die Funktionalität des Werkzeuges an der Spitze des Instrumentes beibehalten wird. Als solches kann die Instrumentenspitze mit zwei Freiheitsgraden gelenkig bewegt werden, wobei währenddessen das an der Spitze angeordnete Werkzeug jederzeit verwendet werden kann.
Das Robotersystem umfaßt allgemein:
einen Roboterarm;
ein an dem Roboterarm befestigtes Kupplungsstück;
ein chirurgisches Instrument, das von dem Kupplungsstück gehalten wird;
eine Steuereinrichtung; und
wobei die Bewegung bei der Steuereinrichtung eine proportionale Bewegung des Roboterarmes und des chirurgischen Instrumentes erzeugt.
Die vorliegende Erfindung kann ein chirurgisches Instrument umfassen, das eine gestreckte Stange aufweist. Die gestreckte Stange weist eine Längsachse auf und dient üblicherweise als der Arm des endoskopischen Instrumentes. Ein Gelenkabschnitt ist an der gestreckten Stange befestigt und erstreckt sich über diese hinaus. Wahlweise kann der Gelenkabschnitt einstückig mit der gestreckten Stange ausgebildet sein. Der gelenkig bewegbare Abschnitt weist einen proximalen Abschnitt, eine Drehverbindung und einen distalen Abschnitt auf. Der proximale Abschnitt kann ein Paar von Fingern umfassen. Die Finger können orthogonal zueinander sein und radial zu der Längsachse der gestreckten Stange ausgerichtet sein. Für eine Verwendung bei chirurgischen Operationen ist es üblicherweise bevorzugt, daß das Instrument und die Mehrheit der Komponenten davon aus rostfreiem Stahl, Kunststoff oder einem anderen, einfach zu sterilisierenden Material gebildet sind. Jeder der Finger kann zumindest eine darin ausgebildete Öffnung aufweisen, um die Durchführung eines Stiftes zu ermöglichen, welcher bei der Befestigung der Drehverbindung an dem proximalen Abschnitt des Gelenkabschnittes unterstützt und welcher es ermöglicht, daß die Drehverbindung schwenkbar an dem proximalen Abschnitt befestigt ist. Der Gelenkabschnitt stellt an der Spitze eines Instrumentes, welches den Gelenkabschnitt umfaßt, ein Gelenk bereit. Insbesondere stellt dieses zusätzliche Freiheitsgrade für das Werkzeug an der Spitze eines Instrumentes bereit, welches einen Gelenkabschnitt umfaßt.
Ein Instrument wie das folgend beschriebene stellt dem Chirurgen, wenn es in Verbindung mit den vorliegenden chirurgischen System verwendet wird, zusätzliche Geschicklichkeit, Präzision und Flexibilität bereit, welche bis jetzt bei Minimal Invasiven Operationen nicht erreicht wurden. Dadurch können Operationszeiten verkürzt, und die Wunde eines Patienten kann stark vermindert werden.
Um eine größere Präzision beim Anordnen der gelenkig bewegbaren Spitze bereitzustellen, wie es folgend beschrieben wird, werden der Master-Steuereinrichtung zwei zusätzliche Freiheitsgrade bereitgestellt. Jeder der zwei zusätzlichen Freiheitsgrade wird auf jede der Freiheitsgrade an der Instrumentenspitze abgebildet. Dies wird erreicht durch die Hinzufügung von zwei Gelenken bei dem Master und automatische Mittel zum gelenkigen Bewegen der Instrumentenspitze als Antwort auf Bewegungen, die an dem Master durchgeführt werden.
Die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann nach Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung und Zeichnungen deutlicher, worin:
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Minimal Invasiven Operationssystems zeigt;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Masters des Systems;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Slaves des Systems;
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems des Systems;
5 zeigt eine schematische Darstellung, welche das Instrument in einem Koordinatensystem zeigt;
6 zeigt eine schematische Darstellung des Instrumentes, welches sich um einen Drehpunkt bewegt;
7 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung eines End-Effektors gemäß dem erfindungsgemäßen System;
8 zeigt eine Darstellung einer Master-Handhabe des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
8a zeigt eine Seitenansicht der Master-Handhabe des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
9–10A–J zeigen bildliche Darstellungen, welche eine innere Brustarterie zeigen, die an eine Koronararterie transplantiert wird;
11 zeigt eine Seitenansicht eines von hinten zu bestückenden Werkzeugs gemäß dem System der vorliegenden Erfindung;
12 zeigt eine Draufsicht der Motoranordnung des von hinten zu bestückenden Werkzeugs gemäß 11;
13 zeigt eine Seitenaufsicht eines ein Gelenk aufweisendes Instruments gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 zeigt eine Seitenaufsicht eines ein Gelenk aufweisendes Instrumentes, wobei die Instrumentenspitze gelenkig bewegbar ist;
15 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung des Gelenkabschnitts des ein Gelenk aufweisendes Instrumentes gemäß der vorliegenden Erfindung;
16 zeigt eines Draufsicht einer Drehverbindung gemäß dem Gelenkabschnitt des ein Gelenk aufweisenden chirurgischen Instrumentes gemäß der vorliegenden Erfindung;
17 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Antriebsanordnung eines ein Gelenk aufweisendes Werkzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung;
18 zeigt eine Darstellung einer entfernbaren Werkzeugspitze gemäß einem erfindungsgemäßen, ein Gelenk aufweisenden Werkzeugs;
19 zeigt eine Werkzeugspitze-Aufnahme gemäß der vorliegenden Erfindung;
20 zeigt eine Schnittdarstellung eines ein Gelenk aufweisenden Instrumentes, welches an dem Gelenk-Übersetzer der vorliegenden Erfindung befestigt ist;
21 zeigt eine Nah-Schnittdarstellung des Gelenk-Übersetzers gemäß der vorliegenden Erfindung;
22 zeigt eine Endansicht des Gelenk-Übersetzers gemäß der vorliegenden Erfindung;
23 zeigt eine Schnittdarstellung des sterilen Abschnittes der Antriebsanordnung des ein Gelenk aufweisenden Werkzeuges gemäß dem System der vorliegenden Erfindung;
24 zeigt eine Schnittdarstellung des Werkzeugantriebes der Antriebsanordnung des ein Gelenk aufweisenden Werkzeuges gemäß dem System der vorliegenden Erfindung;
25 zeigt eine schematische Darstellung eines Masters eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die Antriebsanordnung des ein Gelenk aufweisenden Werkzeuges umfaßt;
26 zeigt eine Draufsicht eines Abdecktuchs für eine Verwendung mit dem Roboterarm gemäß der vorliegenden Erfindung;
27 zeigt eine Draufsicht eines chirurgischen Instrumentes mit einem an dem Ende davon angeordneten Klammerwerkzeug, wobei das chirurgische Instrument an dem Roboterarm gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist;
28 zeigt eine Draufsicht eines chirurgischen Instrumentes mit einer an dem Ende davon angeordneten Schneideklinge, wobei das Instrument an dem Roboterarm gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist;
29 zeigt eine Draufsicht eines chirurgischen Instrumentes mit einer an dem Ende davon angeordneten Koagulations/Schneide-Einrichtung, wobei das Instrument an dem Roboterarm gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist; und
30 zeigt eine Draufsicht eines chirurgischen Instrumentes mit einem an dem Ende davon angeordneten Klammerwergzeug, wobei das chirurgische Instrument an dem Roboterarm gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezugnehmend auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Bezugszeichen zeigt 1 ein System 10, das zum Durchführen einer Minimal Invasiven Operation verwendet werden kann. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das System 10 zum Durchführen eines Minimal Invasiven Koronararterien-Bypasses oder eines endoskopischen Koronararterien-Bypasses (ECABG) und anderen anastomostischen Operationen verwendet werden. Obgleich eine MICABG-Operation gezeigt und beschrieben ist, ist es verständlich, daß das System für andere chirurgische Prozeduren verwendet werden kann. Beispielsweise kann das System zum Nähen eines beliebigen Paars von Gefäßen verwendet werden.
Das System 10 wird zum Durchführen einer Operation an einem Patienten 12 verwendet, der üblicherweise auf einem Operationstisch 14 liegt. An dem Operationstisch 14 ist ein erster Gelenkarm 16, ein zweiter Gelenkarm 18 und ein dritter Gelenkarm 20 befestigt. Die Gelenkarme 16 bis 20 sind vorzugsweise derart an dem Tisch befestigt, daß die Arme auf der gleichen Referenzebene wie der Patient sind. Es ist zu begrüßen, daß die Arme an einem Wagen oder einer anderen Einrichtung befestigt werden können, der beziehungsweise die die Arme in der Nähe der Patientenebene anordnen können. Obwohl drei Gelenkarme gezeigt und beschrieben werden, ist es verständlich, daß das System eine beliebige Anzahl von Armen wie beispielsweise einen oder mehr Arme aufweisen kann.
Der erste und der zweite Gelenkarm 16 und 18 weisen jeweils ein Basisgehäuse 25 und eine Roboterarmanordnung 26 auf, welche sich von dem Basisgehäuse 25 erstreckt. Chirurgische Instrumente 22 und 24 sind vorzugsweise entfernbar an das Ende jeder Roboterarmanordnung 26 des ersten und des zweiten Gelenkarmes 16, 18 gekoppelt. Jedes der Instrumente 22, 24 kann auf eine Vielzahl von Wegen mit einer entsprechenden Roboterarmanordnung 26 gekoppelt sein, welche detaillierter nachfolgend beschrieben werden.
Der dritte Gelenkarm 20 weist zusätzlich ein Basisgehäuse 25 und eine Roboterarmanordnung 26 auf, und weist vorzugsweise ein Endoskop 28 auf, das an der Roboterarmanordnung 26 befes tigt ist. Das Basisgehäuse 25 und die Roboterarmanordnung 26 jedes Gelenkarmes 16, 18 und 20 sind im wesentlichen ähnlich. Jedoch ist es zu begrüßen, daß die Konfiguration des dritten Gelenkarmes 20 unterschiedlich sein kann, da es der Zweck des dritten Gelenkarmes ist, im Gegensatz zum Halten und Positionieren eines chirurgischen Instrumentes, das Endoskop 28 zu halten und zu positionieren.
Die Instrumente 22 und 24 und das Endoskop 28 werden durch Einschnitte in der Haut des Patienten 12 eingeführt. Das Endoskop 28 weist eine Kamera 30 auf, die mit einem Monitor 32 gekoppelt ist, welcher Bilder der inneren Organe des Patienten 12 anzeigt.
Jede Roboterarmanordnung 26 weist einen Basismotor 34 auf, welcher die Armanordnung 26 relativ zu dem Basisgehäuse 25 linear bewegt, wie es durch Pfeile Q angezeigt ist. Jede Roboterarmanordnung 26 umfaßt ferner einen ersten Drehmotor 36 und einen zweiten Drehmotor 38. Jede der Roboterarmanordnungen 26 weist ferner ein Paar von passiven Gelenken 40 und 42 auf. Die passiven Gelenke 40, 42 sind vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet, um eine Drehbewegung des Instrumentes 22, 24 oder des Endoskops 28 bereitzustellen, welches an einer entsprechenden Roboterarmanordnung 26 befestigt ist. Die passiven Gelenke können in jeder speziellen Richtung mit einer Feder vorgespannt sein, jedoch sind sie nicht durch einen Motor angetrieben. Die Roboterarmanordnungen 26 weisen ferner einen Koppelungsmechanismus 45 zum Koppeln der Instrumente 22 und 24 oder des Endoskops 28 daran auf. Zusätzlich weist jede Roboterarmanordnung 26 ein motorgetriebenes Schneckengetriebe 44 zum Drehen der daran befestigten Instrumente 22, 24 oder des Endoskops 28 um ihre Längsachse auf. Insbesondere dreht das motorgetriebene Schneckengetriebe die Instrumente oder das Endoskop.
Der erste, der zweite und der dritte Gelenkarm 16, 18, 20 sind an eine Steuereinrichtung 46 gekoppelt, welche die Bewegung der Arme steuern kann. Die Arme sind über eine Verdrahtung, eine Verkabelung oder über ein Sender/Empfänger-System derart mit der Steuereinrichtung 46 gekoppelt, daß Steuersig nale von der Steuereinrichtung 46 zu jedem der Gelenkarme 16, 18 und 20 geleitet werden können. Es ist zum Sicherstellen einer fehlerfreien Kommunikation zwischen jedem der Gelenkarme 16, 18 und 20 und der Steuereinrichtung 46 bevorzugt, daß jeder Arm 16, 18, 20 elektrisch mit der Steuereinrichtung verbunden ist, und für Beispielszwecke ist jeder Arm 16, 18, 20 über eine elektrische Verkabelung 47 elektrisch mit der Steuereinrichtung 46 verbunden. Im Gegensatz zur direkten elektrischen Verbindung ist es jedoch möglich, jeden der Arme 16, 18, 20 unter Verwendung bekannter Fernsteuersysteme fernzusteuern. Da derartige Fernsteuersysteme aus dem Stand der Technik bekannt sind, werden sie hier nicht weiter beschrieben.
Die Steuereinrichtung 46 ist mit einer Eingabeeinrichtung 48 wie beispielsweise einem Fußpedal, einer Handsteuerung oder einer Stimmerkennungseinheit verbunden. Für Beispielszwecke wird hierin eine Fußsteuerung beschrieben. Die Eingabeeinrichtung 48 kann von einem Chirurgen zum Bewegen des Aufenthaltsortes des Endoskops 28 und zum Betrachten eines anderen Abschnittes des Patienten durch Drücken einer entsprechenden Taste bzw. entsprechender Tasten betätigt werden, welche auf der Eingabeeinrichtung 48 angeordnet ist bzw. sind. Die Steuereinrichtung 46 empfängt die Eingabesignale von der Eingabeeinrichtung 48 und bewegt das Endoskop 28 und die Roboterarmanordnung 26 des dritten Gelenkarmes 20 gemäß den Eingabebefehlen des Chirurgen. Jede der Roboterarmanordnungen 26 kann eine Einrichtung sein, die von dem Zessionar der vorliegenden Erfindung, Computer Motion, Inc. aus Goleta, Kalifornien, unter dem Markenzeichen AESOP verkauft werden. Das System ist ferner in dem US-Patent Nummer 5,515,478 beschrieben.
Obgleich ein Fußpedal 49 gezeigt und beschrieben ist, ist es verständlich, daß das System andere Eingabemittel wie beispielsweise eine Handsteuerung oder eine Spracherkennungsschnittstelle aufweisen kann.
Die Bewegung und die Positionierung von an dem ersten und dem zweiten Gelenkarm 16 und 18 befestigten Instrumenten 22, 24 wird von einem Chirurgen mit einem Paar von Master-Handhaben 50 und 52 gesteuert. Jede der Master-Handhaben 50, 52, welche von dem Chirurgen betätigt werden können, hat eine Master-Slave-Beziehung zu einem entsprechenden der Gelenkarme 16, 18, so daß eine Bewegung einer Handhabe 50 oder 52 eine entsprechende Bewegung des an den Gelenkarmen 16, 18 befestigten chirurgischen Instruments 22, 24 erzeugt.
Die Handhaben 50 und 52 können an einem transportablen Gehäuse 54 befestigt sein. Ein zweiter Fernsehmonitor 56 kann auf dem Gehäuse 54 angeordnet sein und über bekannte Mittel mit dem Endoskop gekoppelt sein, so daß der Chirurg die inneren Organe des Patienten 12 einfach betrachten kann. Die Handhaben 50 und 52 sind ferner an die Steuereinrichtung 46 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 46 empfängt Eingabesignale von den Handhaben 50 und 52, berechnet eine entsprechende Bewegung der chirurgischen Instrumente und stellt Ausgabesignale zum Bewegen der Roboterarmanordnungen 26 und der Instrumente 22, 24 bereit. Da der Chirurg die Bewegung und Orientierung der Instrumente 22, 24 steuern kann, ohne die Enden der Instrumente überhaupt zu halten, kann der Chirurg das System 10 der vorliegenden Erfindung sowohl sitzend als auch stehend verwenden. Ein Vorteil des vorliegenden Systems ist es, daß ein Chirurg endoskopische Operationen in einer sitzenden Position durchführen kann. Dies hilft dabei, eine Ermüdung des Chirurgen zu vermindern und kann die Leistung und die Ergebnisse in dem Operationssaal steigern, insbesondere während solcher Operationen, die mehrere Stunden dauern. Um eine sitzende Stellung zu ermöglichen, kann mit dem System ein Stuhl 57 bereitgestellt werden.
Jede Handhabe weist eine Mehrzahl von Freiheitsgraden auf, welche von den verschiedenen in 2 gezeigten Gelenken (joints) Jm1–Jm5 bereitgestellt werden. Die Gelenke Jm1 und Jm2 ermöglichen es, daß die Handhabe um einen Drehpunkt in dem Kasten 54 dreht. Das Gelenk Jm3 erlaubt es dem Chirurgen, die Handhabe linear in und aus dem Gehäuse 54 zu bewegen. Das Gelenk Jm4 ermöglicht es dem Chirurgen, die Master-Handhabe um eine Längsachse der Handhabe zu drehen. Das Gelenk Jm5 ermöglicht es einem Chirurgen, einen Greifer zu öffnen und zu schließen.
Jedes Gelenk Jm1–Jm5 weist einen oder mehrere Positionssensoren auf, welche Feedback-Signale bereitstellen, die der relativen Position der Handhabe entsprechen. Die Positionssensoren können Potentiometer oder beliebige andere Feedback-Einrichtungen wie beispielsweise optische Drehwertgeber sein, die ein elektrisches Signal bereitstellen, welches einer Positionsänderung entspricht. Zusätzlich kann eine Mehrzahl von Positionssensoren bei jedem Gelenk angeordnet sein, um eine Redundanz in dem System bereitzustellen, welche verwendet werden kann, um einen Chirurgen von einer Fehlfunktion oder einer ungenauen Positionierung einer entsprechenden Roboterarmanordnung 26 zu alarmieren.
Zusätzlich zu den Positionssensoren kann jedes Gelenk Drehzahlmesser, Beschleunigungsmesser und kraftmessende Lastzellen aufweisen, wobei jede von diesen elektrische Signale im Bezug auf Geschwindigkeit, Beschleunigung und eine auf ein entsprechendes Gelenk aufgebrachte Kraft bereitstellen kann. Darüber hinaus können bei jedem Gelenk Stellglieder umfaßt sein, um ein Kraft-Feedback, welches von einer Roboterarmanordnung 26 erhalten wird, wiederzuspiegeln. Dies kann insbesondere bei Gelenk Jm5 hilfreich sein, um die Kraft aufzuzeigen, welche in einem Patienten von dem an dem Ende von einem der Werkzeuge 22 oder 24 angeordneten Greifer angetroffen wird. Ein eine Kraft wiederspiegelndes Element muß bei dem Greifer des Instruments 22, 24 umfaßt sein, um eine Kraft wiederspiegelnde Feedback-Schleife zu erzielen. Kraft wiederspiegelnde Elemente wie beispielsweise ein piezoelektrisches Element in Kombination mit einer whetstonschen Brückenschaltung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Jedoch ist es vordem nicht bekannt, eine derartige Wiederspiegelung einer Kraft mit solch einem System 10 zu verwenden.
3 zeigt die verschiedenen Freiheitsgrade jedes Gelenkarmes 16 und 18. Die Gelenke Js1, Js2 und Js3 entsprechen den Bewegungsachsen des Basismotors 34 beziehungsweise der Drehmotoren 36, 38 der Roboterarmanordnungen 26. Die Gelenke Js4 und Js5 entsprechen den passiven Gelenken 40 und 42 des Arms 26. Das Gelenk Js6 kann ein Motor sein, welcher die chi rurgischen Instrumente um die Längsachse des Instrumentes dreht. Das Gelenk Js7 kann ein Paar von Fingern sein, die sich öffnen und schließen können. Die Instrumente 22 und 24 bewegen sich um einen Drehpunkt P, der bei dem Einschnitt an dem Patienten angeordnet ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems, welches eine Bewegung einer Master-Handhabe in eine entsprechende Bewegung eines chirurgischen Instrumentes übersetzt. Gemäß dem in 4 gezeigten Steuerungssystem berechnet die Steuereinrichtung 46 Ausgabesignale für die Gelenkarme, so daß sich das chirurgische Instrument in Verbindung mit der Bewegung der Handhabe bewegt. Jede Handhabe kann eine Eingabetaste 58 haben, welche das Instrument aktiviert, sich mit der Handhabe zu bewegen. Wenn die Eingabetaste 58 bedrückt ist, folgt das chirurgische Instrument der Bewegung der Handhabe. Wenn die Taste 58 freigegeben wird, folgt das Instrument der Bewegung der Handhabe nicht. Auf diese Weise kann der Chirurg die Position der Handhabe justieren oder "anheben" (ratchet), ohne eine entsprechende unerwünschte Bewegung des Instrumentes zu erzeugen. Die "Anheben"-Funktionalität erlaubt es dem Chirurgen, die Handhabe kontinuierlich an wünschenswertere Positionen zu bewegen, ohne die Positionen der Arme zu verändern. Da die Handhaben durch einen Drehpunkt beschränkt sind, ermöglicht es die "Anheben"-Funktionalität dem Chirurgen ferner, die Instrumente über die dimensionalen Begrenzungen der Handhaben hinaus zu bewegen. Obgleich eine Eingabetaste 58 gezeigt und beschrieben ist, ist es verständlich, daß das chirurgische Instrument über andere Mittel wie beispielsweise eine Stimmerkennung aktiviert werden kann. Die Eingabetaste kann wahlweise eingeklinkt sein, so daß eine Bewegung des entsprechenden Instrumentes zwischen aktiv und inaktiv umschaltet, wann immer die Taste von dem Chirurgen gedrückt wird.
Wenn der Chirurg eine Handhabe bewegt, stellen die Positionssensoren Feedback-Signale M1–M5 bereit, die der Bewegung der Gelenke Jm1–Jm5 entsprechen. Die Steuereinrichtung 46 berechnet bei Berechnungsblock 60 die Differenz zwischen der neuen Position der Handhabe und der ursprünglichen Position der Handhabe, um inkrementelle Positionswerte M1–M5 zu erzeugen.
Die inkrementellen Positionswerte M1–M5 werden mit Skalierungsfaktoren S1–S5 multipliziert, und zwar im Block 62. Die Skalierungsfaktoren werden üblicherweise kleiner als 1 gesetzt, so daß die Bewegung des Instrumentes geringer ist als die Bewegung der Handhabe. Auf diese Weise kann der Chirurg sehr feine Bewegungen des Instrumentes mit relativ groben Bewegungen der Handhabe erzeugen. Die Skalierungsfaktoren S1–S5 sind variabel, so daß der Chirurg die Auflösung der Bewegung des Instrumentes variieren kann. Jeder Skalierungsfaktor ist vorzugsweise individuell variabel, so daß der Chirurg das Instrument in bestimmten Richtungen genauer steuern kann. Durch Setzen von einem der Skalierungsfaktoren auf Null beispielsweise kann der Chirurg verhindern, daß sich das Instrument in eine Richtung bewegt. Dies kann vorteilhaft sein, wenn der Chirurg nicht möchte, daß das chirurgische Instrument ein Organ oder bestimmtes Gewebe berührt, welches in einer bestimmten Richtung relativ zu dem Patienten angeordnet ist. Obgleich Skalierungsfaktoren kleiner als 1 beschrieben werden, ist es verständlich, daß ein Skalierungsfaktor größer als 1 sein kann. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, das Instrument mit einer größeren Geschwindigkeit als einer entsprechenden Drehung der Handhabe zu drehen.
Die Steuereinrichtung 46 fügt die inkrementellen Werte M1–M5 zu den anfänglichen Gelenkwinkeln Mj1–Mj5 in Addier-Element 64 hinzu, um Werte Mr1–Mr5 bereitzustellen. Die Steuereinrichtung 46 berechnet dann in Berechnungsblock 66 gemäß den folgenden Gleichungen die gewünschten Slave-Vektorberechnungen. Rdx = Mr3·sin(Mr1)·cos(Mr2) + Px Rdy = Mr3·sin(Mr1)·sin(Mr2) + Py Rdz = Mr3·cos(Mr1) + Pz Sdr = Mr4 Sdg = Mr5 wobei,

Rdx, y, z: der neuen gewünschten Position des End-Effektors des Instrumentes entsprechen.
Sdr: der Winkeldrehung des Instrumentes um die Längsachse des Instrumentes entspricht.
Sdg: dem Bewegungsbetrag der Instrumentenfinger entspricht.
Px, y, z: der Position des Drehpunktes P entspricht.

Die Steuereinrichtung 46 berechnet dann in Berechnungsblock 68 die Bewegung des Roboterarmes 26 gemäß den folgenden Gleichungen.
worin

Jsd1: der Bewegung des Linearmotors entspricht.
Jsd2: der Bewegung des ersten Drehmotors entspricht.
Jsd3: der Bewegung des zweiten Drehmotors entspricht.
Jsd6: der Bewegung des Rotationsmotors entspricht.
Jsd7: der Bewegung des Greifers entspricht.
L1: der Länge des Verbindungsarmes zwischen dem ersten Drehmotor und dem zweiten Drehmotor entspricht.
L2: der Länge des Verbindungsarmes zwischen dem zweiten Drehmotor und den passiven Gelenken entspricht.

Die Steuereinrichtung stellt in Block 70 Ausgangssignale an die Motoren bereit, um den Arm und das Instrument an die gewünschte Position zu bewegen. Dieser Vorgang wird für jede Bewegung der Handhabe wiederholt.
Die Master-Handhabe weist eine andere räumliche Position relativ zu dem chirurgischen Instrument auf, wenn der Chirurg die Eingabetaste freigibt oder feststellt und die Handhabe bewegt. Wenn die Eingabetaste 58 anfänglich gedrückt ist, berechnet die Steuereinrichtung 46 in Berechnungsblock 72 anfängliche Gelenkwinkel Mj1–Mj5 gemäß den folgenden Gleichungen.
Die kinematischen Werte werden in Block 74 mit den folgenden Gleichungen berechnet. Rsx = L1·cos(Js2) + L2·cos(Js2 + Js3) Rsy = L1·cos(Js2) + L2·sin(Js2 + Js3) Rsy = J1
Die Gelenkwinkel Mj werden dem Addierer 64 bereitgestellt. Die Drehpunkte Px, Py und Pz werden wie folgt in Berechnungsblock 76 berechnet. Der Drehpunkt wird durch anfängliche Bestimmung der ursprünglichen Position der Schnittstelle des End-Effektors und des Instrumentes PO und des Einheitsvektor Uo berechnet, welcher die gleiche Orientierung wie das Instrument hat. Die Position P(x,y,z)-Werte können von verschiedenen Positionssensoren des Roboterarmes erhalten werden. Bezugnehmend auf 5 befindet sich das Instrument in einem ersten Koordinatenrahmen (x,y,z), welcher die Winkel θ4 und θ5 auf weist. Der Einheitsvektor Uo wird anhand der folgenden Transformationsmatrix berechnet:
Nach jeder Bewegung des End-Effektors wird eine Winkelbewegung des Instrumentes Δθ berechnet, indem der arcsin des Kreuzproduktes des ersten und zweiten Einheitsvektors Uo und U1 des Instrumentes gemäß den folgenden Gleichungssysteme L0 und L1 berechnet wird,
wobei
T einem Vektor entspricht, welcher ein Kreuzprodukt der Einheitsvektoren U0 und U1 ist.
Der Einheitsvektor der neuen Instrumentenposition U1 wird wiederum unter Verwendung der Positionssensoren und der oben beschriebenen Transformationsmatrix bestimmt. Wenn der Winkel größer als ein Schwellenwert ist, wird ein neuer Drehpunkt berechnet und U0 auf U1 gesetzt. wie es in 6 gezeigt ist, können die erste und die zweite Instrumentenorientierung durch die Gleichungssysteme L0 und L1 definiert werden: L0: x0 = Mx0·Z0 + Cx0 y0 = My0·Z0 + Cy0 L1: x1 = Mx1·Z1 + Cx1 y1 = My1·Z1 + Cy1wobei

Z0: eine Z-Koordinate entlang der Linie L0 relativ zu der Z-Achse des ersten Koordinatensystems ist.
Z1: eine Z-Koordinate entlang der Linie L1 relativ zu der Z-Achse des ersten Koordinatensystems ist.
Mx0: eine Neigung der Linie L0 als eine Funktion von Z0 ist.
My0: eine Neigung der Linie L0 als eine Funktion von Z0 ist.
Mx1: eine Neigung der Linie L1 als eine Funktion von Z1 ist.
My1: eine Neigung der Linie L1 als eine Funktion von Z1 ist.
Cx0: eine Konstante ist, welche den Schnittpunkt der Linie L0 und der X-Achse des ersten Koordinatensystem darstellt.
Cy0: eine Konstante ist, welche den Schnittpunkt der Linie L0 und der Y-Achse des ersten Koordinatensystem darstellt.
Cx1: eine Konstante ist, welche den Schnittpunkt von L1 und der X-Achse des ersten Koordinatensystems darstellt.
Cy1: eine Konstante ist, welche den Schnittpunkt der Linie L1 und der Y-Achse des ersten Koordinatensystems darstellt.

Die Neigungen werden unter Verwendung der folgenden Algorithmen berechnet: Mx0 = Ux0/Uz0 My0 = Uy0/Uz0 Mx1 = Ux1/Uz1 My1 = Uy1/Uz1 Cx0 = P0x – Mx1·P0z Cy0 = P0y – My1·P0z Cx1 = P1x – Mx1·P1z Cyl = P1y – My1·P1zwobei

U0 (x, y und z): den Einheitsvektoren des Instrumentes in der ersten Position innerhalb des ersten Koordinatensystems entspricht.
U1 (x, y und z): den Einheitsvektoren des Instrumentes in der zweiten Stellung in dem ersten Koordinatensystem entspricht.
P0 (x, y und z): den Koordinaten des Schnittpunktes des End-Effektors und des Instrumentes in der ersten Position in dem ersten Koordinatensystem entspricht.
P1(x, y und z): den Koordinaten des Schnittpunktes des End-Effektors und des Instrumentes in der zweiten Position in dem ersten Koordinatensystem entspricht.

Um eine ungefähre Drehpunktposition zu finden, werden die Drehpunkte des Instrumentes in der ersten Orientierung L0 (Drehpunkt R0) und in der zweiten Orientierung L1 (Drehpunkt R1) bestimmt, und die Distanz des halben Weges zwischen den zwei Punkten R0 im R1 wird berechnet und als der Drehpunkt R_ave des Instrumentes gespeichert. Der Drehpunkt Rave wird unter Verwendung des Kreuzproduktvektors T berechnet.
Um die Punkte R0 und R1 zu finden, werden die folgenden Gleichungen zur Definition einer Linie mit der gleichen Orientierung wie Vektor T, welcher sowohl durch L0 als auch durch L1 geht, bestimmt. tx = Tx/Tz ty = Ty/Tzwobei

tx: der Neigung einer Linie definiert durch Vektor T relativ zu der Z-x-Ebene des ersten Koordinatensystems entspricht.
ty: der Neigung einer ersten Linie definiert durch Vektor T relativ zu der Z-y-Ebene des ersten Koordinatensystems entspricht.
Tx: der x-Komponente des Vektors T entspricht.
Ty: der y-Komponente des Vektors T entspricht.
Tz: der z-Komponente des Vektors T entspricht.

Ein Herausgreifen von zwei Punkten zum Bestimmen der Neigungen Tx, Ty und Tz (tx = x1 – x0, Ty = y1 – y0 und Tz = z1 – z0) und Substituieren der Gleichungssysteme L0 und L1 stellt eine Lösung für die Punktkoordinaten für R0 (x0, y0, z0) und R1 (x1, y1, z1) wie folgt bereit. z0 = ((Mx1 – tx)Z1 + Cx1 – Cx0)/(Mx0 – tx)z1 = ((Cy1 – Cy0)(Mx0 – tx) – (Cx1 – Cx0)(My0 – ty))/((My0 – ty)(Mx1 – tx) – (My1 – ty)(Mx0 – tx)) y0 = My0·z0 + Cy0 y1 = My1·z1 + Cy1 x0 = Mx0·Z0 + Cx0 x1 = Mx1·z1 + Cx1
Der durchschnittliche Abstand zwischen den Drehpunkten R0 und R1 wird mit der folgenden Gleichung berechnet und als der Drehpunkt des Instrumentes gespeichert. Rave = ((x1 + x0)/2, (y1 + y0)/2, (z1 + z0)/2)
Der Drehpunkt kann kontinuierlich mit der oben beschriebenen Algorithmusroutine geupdated werden. Jede Bewegung des Drehpunktes kann mit einem Grenzwert verglichen werden, und ein Warnsignal kann ausgegeben werden oder das Robotersystem kann ausgekoppelt werden, wenn sich der Drehpunkt über ein gesetztes Limit hinausbewegt. Der Vergleich mit einem gesetzten Limit kann bei der Bestimmung, ob der Patient bewegt wird, oder das Instrument außerhalb des Patienten betätigt wird, nützlich sein, Situationen, welche zu einer Verletzung des Patienten oder den Personen in dem Operationssaal führen können.
Um dem Chirurg ein Feedback zur Verfügung zu stellen, können die Finger des Instrumentes Drucksensoren aufweisen, welche den Gegendruck messen, welcher von dem vom End-Effektor gegriffenen Objekt geleistet wird. Es wird auf 4 Bezug genommen. Die Steuereinrichtung 46 empfängt Signale Fs des Drucksensors und erzeugt im Block 78 entsprechende Signale Cm, welche einem in der Handhabe angeordneten Stellglied zur Verfügung gestellt werden. Das Stellglied stellt einen entsprechenden Druck an der Handhabe bereit, welcher an die Hand des Chirurgen übermittelt wird. Das Druck-Feedback ermöglicht es dem Chirurgen, den Druck zu messen, welcher auf das Instrument ausgeübt wird. Als ein alternatives Ausführungsbeispiel kann die Handhabe über ein mechanisches Kabel mit den Fingern des End-Effektors gekoppelt sein, welches die Greifkraft der Finger direkt an die Hände des Chirurgen überträgt.
7 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines End-Effektors 80, der mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann. Der End-Effektor 80 umfaßt ein chirurgisches Instrument 82, wie beispielsweise das hierin oberhalb offenbarte 22, 24, welches mit einem von vorne zu bestückenden Werkzeugantrieb 84 gekoppelt ist. Der End-Effektor 80 wird mit einem Kopplungsmechanismus 45 an einem der Roboterarmanordnungen 26 befestigt. Der Kopplungsmechanismus 45 umfaßt eine Hülse 85 (collar), die entfernbar an einer Halterung 86 befestigt ist. Die Halterung 86 umfaßt ein Schneckengetriebe 87, welches von einem Motor in der Roboterarmanordnung 26 zum Drehen der Hülse 85 und zum Drehen des Instrumentes 82 um seine Längsachse angetrieben wird. Die Halterung 86 umfaßt eine Welle 88, welche in einem Schacht in der Roboterarmanordnung 26 sitzt. Die Welle 88 kann von dem Motor in der Armanordnung gedreht werden, welche dann das Schneckengetriebe 87 dreht und somit die Hülse 86 und das Instrument 82 dreht. Ein Befestigungsmittel 89 kann verwendet werden, um die Hülse um das Instrument 82 zu befestigen oder zu lösen. Ein solches Werkzeug wirkt wie ein Spannfutterschlüssel, um die Hülse 86 zu befestigen und zu lösen.
Das chirurgische Instrument 82 weist einen ersten Finger 90 auf, welcher drehbar an einem zweiten Finger 91 befestigt ist. Die Finger 90, 91 können zum Halten von Objekten wie beispielsweise Gewebe oder einer Nähnadel betätigt werden. Die innere Oberfläche der Finger kann zum Erhöhen der Reibung und der Greiffähigkeit des Instrumentes 82 eine Struktur aufweisen. Der erste Finger 90 ist an eine Stange 92 gekoppelt, die sich durch einen zentralen Kanal 94 des Instrumentes 82 erstreckt. Das Instrument 82 kann eine äußere Hülle 96 aufweisen, welche mit einem mit einer Feder vorgespannten kugelförmigen Schnelltrennstecker-Befestigungsmittel 98 zusammenwirkt. Der Schnelltrennstecker 98 ermöglicht es, das andere Instrumente als der Fingergreifer an den von vorne zu bestückenden Werkzeugantrieb 84 gekoppelt werden. Beispielsweise kann das Instrument 82 von dem Schnelltrennstecker 98 getrennt werden und durch ein Schneidewerkzeug, ein Nähwerkzeug oder ein Klammerwergzeug, welches zur Verwendung in diesem System angepaßt ist, wie beispielsweise die Klammervorrichtung, welche in dem US Patent Nr. 5,499,990 oder 5,389,103, erteilt für Karlsruhe, eine Schneideklinge oder andere chirurgische Werkzeuge, welche bei Minimal Invasiver Chirurgie verwendet werden, ersetzt werden. Der Schnelltrennstecker 98 ermöglicht es, daß chirurgische Instrumente ausgetauscht werden, ohne daß der von vorne zu bestückende Werkzeugantrieb 84 jedesmal neu sterilisiert werden muß, wenn ein Instrument in den Werkzeugantrieb 84 eingesteckt wird. Der Betrieb des von vorne zu bestückenden Werkzeugantriebes 84 wird detaillierter folgend beschrieben.
Der Schnelltrennstecker 98 weist eine Nut 100 auf, der einen Stift 102 des von vorne zu bestückenden Werkzeugantriebs 84 aufnimmt. Der Stift 102 verriegelt den Schnelltrennstecker 98 an dem von vorne zu bestückenden Werkzeugantriebs 100. Der Stift 102 kann durch Drücken eines mit einer Feder vorgespannten Hebels 104 freigegeben werden. Der Schnelltrennstecker 98 weist einen Kolben 106 auf, der an der Werkzeugstange 92 befestigt ist und ein Widerlager zu einem Ausgangskolben 108 einer Lastzelle 110 ist, die in dem von vorne zu bestückenden Werkzeugantrieb 84 angeordnet ist.
Die Lastzelle 110 ist an einem Mutterschloß 112 befestigt. Das Mutterschloß 112 ist an eine Gewindespindel 114 gekoppelt, die sich von einem Getriebe 116 erstreckt. Das Getriebe 116 wird von einem reversiblen Motor 118 angetrieben, der an einen Codierer 120 gekoppelt ist. Der gesamte End-Effektor 80 wird durch das motorgetriebene Schneckengetriebe 87 gedreht.
Im Betrieb empfängt der Motor 118 des von vorne zu bestückenden Werkzeugantriebes 84 über eine elektrische Verdrahtung oder ein Transmitter/Receiver-System Eingabebefehle von der Steuereinrichtung 46 und startet entsprechend. Der Motor 118 dreht die Gewindespindel 114, welche das Mutterschloß 112 und die Lastzelle 110 linear bewegt. Eine Bewegung der Lastzelle 110 bewegt den Kopplungskolben 106 und die Werkzeugstange 92, welche den ersten Finger 88 schwenkt. Die Lastzelle 110 mißt die Gegenkraft, die auf den Finger aufgebracht wird und stellt ein entsprechendes Feedback-Signal an die Steuereinrichtung 46 zur Verfügung.
Der von vorne zu bestückende Werkzeugantrieb 84 kann mit einem sterilen Abdecktuch 124 abgedeckt sein, so daß der Werkzeugantrieb 84 nicht nach jeder chirurgischen Operation sterilisiert werden muß. Darüber hinaus ist die Roboterarmanordnung 26 vorzugsweise mit einem sterilen Abdecktuch 125 abgedeckt, so daß es auch nicht sterilisiert werden muß. Die Abdecktücher 124, 125 dienen im wesentlichen als Mittel zum Umschließen des von vorne zu bestückenden Werkzeugantriebes 84 und der Roboterarmanordnung 26. Das Abdecktuch 125, welches zum Umfassen der Roboterarmanordnung 26 verwendet wird, ist detaillierter in 26 gezeigt. Das Abdecktuch 125 weist ein im wesentlichen offenes Ende 300 auf, mit welchem die Roboterarmanordnung 26 in das Abdecktuch 125 aufgenommen werden kann. Das Abdecktuch 125 umfaßt darüber hinaus ein im wesentlichen konisch abgeschlossenes Ende 302, welches die Armanordnung 26 effektiv von der Umgebung des Operationssaals trennt. Eine Scheibe 304 mit einer kleinen durchgeformten Öffnung 306 ermöglicht es, daß ein Instrument über einen Kopplungsmechanismus 45 an der Armanordnung 26 gekoppelt wird. Die Scheibe 304 verstärkt das Abdecktuch 125, um sicherzustellen, daß das Abdecktuch 125 nicht reißt, wenn sich die Armanordnung 26 bewegt. Insbesondere kann das Instrument nicht in das Abdecktuch 125 aufgenommen werden, da es in den Patienten 12 eingeführt werden muß. Das Abdecktuch 125 umfaßt ferner eine Mehrzahl von Streifen 308 mit darauf aufgebrachten Klebestoff 310. Zumindest ein Stück von Streifen 308 ist gegenüber den anderen Streifenstücken 308 angeordnet, um das Schließen des Abdecktuches 125 um die Armanordnung 26 zu bewirken.
Die 8 und 8A zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Master-Handhabeanordnung 130. Die Master-Handhabeanordnung 130 umfaßt eine Master-Handhabe 132, die an einem Arm 134 gekoppelt ist. Die Master-Handhabe 132 kann mit einem Stift 136 an den Arm 134 gekoppelt sein, welcher in eine entsprechende Nut 138 in der Handhabe 132 eingeführt ist. Die Handhabe 132 weist eine Steuertaste 140 auf, die von dem Chirurgen gedrückt werden kann. Die Steuertaste 140 ist über eine Stange 144 mit einem Schalter 142 gekoppelt. Die Steuertaste 140 entspricht der in 4 gezeigten Eingabetaste 58 und aktiviert die Bewegung des End-Effektors.
Die Master-Handhabe 132 weist einen ersten Greifer 146 auf, der drehbar an einen zweiten stationären Greifer 148 befestigt ist. Eine Drehung des ersten Greifers 146 erzeugt eine entsprechende lineare Bewegung einer Handhabestange 150. Die Handhabestange 150 bewegt eine Greiferstange 152, die über ein Lager 156 mit einer Lastzelle 154 gekoppelt ist. Die Lastzelle 154 mißt die Größe des darauf ausgeübten Druckes und stellt der Steuereinrichtung 46 ein Eingangssignal bereit. Die Steuereinrichtung 46 stellt dann ein Ausgangssignal bereit, um die Finger des End-Effektors zu bewegen.
Die Lastzelle 154 ist an einem Mutterschloß 158 befestigt, das an eine Gewindespindel 160 gekoppelt ist. Die Gewindespindel 160 erstreckt sich von einem Reduziergetriebe 162, das an einen Motor 164 gekoppelt ist, welcher einen Codierer 166 aufweist. Die Steuereinrichtung 46 des Systems empfängt das Feedback-Signal der Lastzelle 110 in dem End-Effektor und stellt ein entsprechendes Befehlssignal an den Motor bereit, um die Gewindespindel 160 zu drehen und einen Druck auf den Greifer auszuüben, so daß der Chirurg ein Feedback bezüglich der Kraft erhält, welche von dem End-Effektor aufgebracht wird. Auf diese Weise hat der Chirurg ein "Gefühl" für das Bedienen des End-Effektors.
Die Handhabe ist an einem Drehgehäuse 168 befestigt, das sich um das Lager 170 dreht. Das Drehgehäuse 168 ist über eine Getriebeanordnung 174 an einen Positionssensor 172 gekoppelt. Der Positionssensor 172 kann ein Potentiometer sein, welches Feedback-Signale an die Steuereinrichtung 46 bereitstellt, welche der relativen Position der Handhabe entsprechen. Darüber hinaus kann für diesen Zweck ein optischer Codierer verwendet werden. Wahlweise können sowohl ein Potentiometer als auch ein optischer Codierer verwendet werden, um eine Redundanz in dem System bereitzustellen. Die Drehbewegung wird durch die Steuereinrichtung und die Roboterarmanordnung in eine entsprechende Drehung des End-Effektors umgesetzt.
Der Arm 134 kann an ein Linearlager 176 und einen entsprechenden Positionssensor 178 gekoppelt sein, welche eine lineare Bewegung der Handhabe ermöglichen bzw. messen. Die Linearbewegung der Handhabe wird durch die Steuereinrichtung und die Roboterarmanordnung in eine entsprechende Linearbewegung des End-Effektors übersetzt. Der Arm kann um Lager 180 gedreht werden und von einem in einem Gestell 184 angeordneten Positionssensor erfaßt werden. Das Gestell 184 kann sich um ein Lager 186 drehen, welches einen entsprechenden Positionssensor 188 aufweist. Die Armdrehung wird durch die Steuereinrichtung und die Roboterarmanordnung in eine entsprechende Drehbewegung des End-Effektors umgesetzt.
Eine menschliche Hand weist ein natürliches Zittern auf, welches üblicherweise eine Frequenz zwischen 6 bis 12 Hertz hat. Um eine Folgebewegung der chirurgischen Instrumente bezüglich des Handzitterns auszuschließen, weist das System einen Filter auf, der sämtliche Bewegungen der Handhaben herausfiltert, die innerhalb der Bandbreite der Frequenz des Zitterns auftreten. Es wird auf 4 Bezug genommen. Der Filter 184 kann analoge Signale filtern, die von den Potentiometern in einem Frequenzbereich zwischen 6 und 12 Hertz geliefert werden. Wahlweise kann ein optischer Codierer und ein digitaler Filter für diesen Zweck verwendet werden.
Wie es in den 9 und 10A–J gezeigt ist, wird das System vorzugsweise zum Durchführen einer Herzoperation wie beispielsweise eines Koronararterie-Bypasses (CABG) verwendet. Die Operation wird durchgeführt, indem anfänglich drei Ein schnitte in den Patienten vorgenommen werden und die chirurgischen Instrumente 22 und 24 und das Endoskop 26 durch die Einschnitte in den Patienten geführt werden. Eines der chirurgischen Instrumente 22 hält eine Nähnadel und einen begleitenden Faden, wenn es in die Brusthöhle des Patienten eingeführt wird. Wenn die Arterie an ein zweites Gefäß transplantiert werden soll, wie beispielsweise eine Vena saphena, kann das andere chirurgische Instrument 24 die Vene halten, während der End-Effektor des Instrumentes in den Patienten geführt wird.
Die innere Brustarterie (IMA) kann abgetrennt werden und von einem der Instrumente an eine Transplantationsstelle der Koronararterie bewegt werden. Die Koronararterie wird abgetrennt, um eine Öffnung in der Arterienwand zu schaffen, deren Größe dem Durchmesser der IMA entspricht. Der bzw. die Einschnitte können mit einem Schneidewerkzeug durchgeführt werden, das an ein Ende der End-Effektoren gekoppelt ist und über eine Master-Handhabe ferngesteuert wird. Die Arterien werden geklammert, um zu verhindern, daß Blut aus der abgetrennten Brust- und Koronararterie fließt. Der Chirurg betätigt die Handhabe, um die IMA in die Nähe der Öffnung der Koronararterie zu bewegen. Obgleich das Transplantieren der IMA gezeigt und beschrieben ist, ist es verständlich, daß ein anderes Gefäß wie beispielsweise eine abgetrennte Vena saphena transplantiert werden kann, um eine Blockade in der Koronararterie zu umgehen.
Es wird Bezug genommen auf die 10A–J. Der Chirurg bewegt die Handhabe, um das Instrument zu betätigen, so daß es die Nadel durch die IMA und die Koronararterie führt. Der Chirurg bewegt dann das chirurgische Instrument, um die Nadel zu greifen und durch die Koronararterie und die Transplantatarterie zu ziehen, wie es in 10B gezeigt ist. Wie es in 10C gezeigt ist, werden die chirurgischen Instrumente dann betätigt, um eine chirurgische Naht an der Verse der transplantierten Arterie vorzunehmen. Die Nadel kann dann aus der Brusthöhle entfernt werden. Wie es in den 10G–F gezeigt ist, kann eine neue Nadel und Faden in die Brusthöhle geführt werden, um die "Zehe" der transplantierten Arterie an der Koronararterie zu vernähen. Wie es in den 10H–J gezeigt ist, können neue Nadeln eingeführt werden, und der Chirurg betätigt die Handhaben, um durchgehende Nähte von der Verse zu dem Zeh und von dem Zeh zu der Verse zu erzeugen. Die skalierte Bewegung des chirurgischen Instrumentes ermöglicht es dem Chirurgen, die chirurgischen Nähte genau in der Brusthöhle zu bewegen. Obgleich eine spezielle Transplantationssequenz gezeigt und beschrieben worden ist, ist es verständlich, daß die Arterien mit anderen Techniken transplantiert werden können. Allgemein kann das System der vorliegenden Verwendung verwendet werden, um jede Minimal Invasive anastomotische Operation durchzuführen.
Wie hierin beschrieben, kann das System einen von vorne zu bestückenden Werkzeugantrieb 84 umfassen, welcher Steuersignale von der Steuereinrichtung 46 in Antwort auf eine Bewegung einer Master-Handhabe 50 oder 52 erhält und das an dem Ende eines chirurgischen Instrumentes angeordnete Werkzeug antreibt. Wahlweise kann ein von hinten zu bestückender Werkzeugantrieb 200 in dem System 10 der vorliegenden Erfindung umfaßt sein, wie es in den 11 und 11A gezeigt ist. Der von hinten zu bestückende Werkzeugantrieb 200 wirkt mit einem chirurgischen Instrument 202 zusammen, welches von hinten bestückt werden kann. Die Einbeziehung eines solchen von hinten zu bestückenden Werkzeugantriebes 200 und eines Werkzeuges 202 beschleunigt das Wechseln eines Werkzeuges während einer Operation, da Werkzeuge auf sehr einfache Weise aus dem Werkzeugantrieb 200 entfernt werden können und durch andere Werkzeuge ersetzt werden können.
Der von hinten zu bestückende Werkzeugantrieb 200 wird über eine Hülse und eine Halterung an einer Roboterarmanordnung 26 befestigt, wie es hierin beschrieben ist. Der von hinten zu bestückende Werkzeugantrieb umfaßt eine Hülle 204 mit einem proximalen Ende 206 und einem distalen Ende 208. Die Hülle 204 kann aus einem Kunststoff oder einem anderen bekannten Material ausgebildet sein, welches bei der Herstellung chirurgischer Instrumente verwendet wird. Die Hülle 204 ist im wesentlichen eine hohle Röhre, welche durch die Hülse 85 paßt und mit einem Befestigungsmittel befestigt wird, das hier detaillierter weiter oben beschrieben ist.
Das von hinten bestückbare chirurgische Instrument 202 weist ein Werkzeugende 210 und ein Befestigungsende 212 auf. Ein chirurgisches Werkzeug 214, wie beispielsweise ein Greifer oder ein anderes Werkzeug, das von einer Schiebe/Zieh-Stange oder einem Kabelsystem angetrieben wird, oder ein chirurgisches Werkzeug, das eine solche Stange oder Kabel nicht erfordert, wie beispielsweise ein Koagulator oder ein harmonisches Skalpell (harmonic scalpel), ist an dem Werkzeugende 210 des Instrumentes 202 angeordnet.
Ein Gehäuse 216 ist an dem Befestigungsende 212 des Werkzeuges 202 angeordnet. Das Gehäuse weist einen Hebel 218 auf, der in dem Gehäuse 216 angeordnet ist. Der Hebel 218 weist einen Drehpunkt 220 auf, der unter Verwendung eines Stiftes, der durch eine entsprechende Öffnung 222 in dem Hebel geführt ist, gebildet wird. Der Stift kann an der inneren Wand 224 des Gehäuses befestigt sein. Ein Schiebe/Zieh-Kabel oder -Stange 226, das bzw. die sich durch die Länge des Instrumentes 202 erstreckt, ist an dem Hebel 218 befestigt, so daß die Bewegung des Hebels 218 um den Drehpunkt 220 zu einer Linearbewegung des Kabels oder der Stange 226 führt. Im wesentlichen dient das Kabel oder die Stange 226 als ein Mittel 227 zum Betätigen des Werkzeuges 214 an dem Werkzeugende 210 des Werkzeuges 202. Das Kabel oder die Stange 226 kann an dem Hebel ebenfalls über einen Verbindungsstift befestigt sein. Der Hebel 218 weist eine C-förmige Gestalt auf, wobei die Enden des Hebels 218 durch zwei Öffnungen 228, 230 in dem Gehäuse 216 ragen. Die Öffnungen 228, 230 sind vorzugsweise von O-Ringen 232 umgeben, deren Zweck detaillierter folgend beschrieben ist.
Das Werkzeugende 210 des von hinten bestückbaren chirurgischen Instrumentes 202 wird in der hohlen Röhre des von hinten zu bestückenden Werkzeugantriebes 200 eingelagert. Das Werkzeug 202 kann durch den Werkzeugantrieb geschoben werden, bis das Werkzeugende 210 sich über die Hülle 204 erstreckt. Die O-Ringe 232 sitzen in zugeordneten Öffnungen 234, 236 in einem Gehäuse 238 des Werkzeugantriebes 200. Das Gehäuse weist dar über hinaus eine Öffnung 240 auf, die zentral durch dieses ausgebildet ist, wobei die Öffnung koaxial zu dem Inneren der hohlen Röhre ist. Auf diese Weise kann das chirurgische Instrument 202 in und durch den Werkzeugantrieb 200 geführt werden. Jeder der O-Ringe 232 liegt satt in seiner zugehörigen Öffnung in dem Gehäuse 232 des Werkzeugantriebes 200.
Das Gehäuse 238 umfaßt darüber hinaus eine Motoranordnung 242, welche in 11a dargestellt ist. Die Motoranordnung 242 ist an dem Gehäuse 238 befestigt und wird darin fest an seinem Platz gehalten. Die Motoranordnung umfaßt allgemein einen an einem Reduzierstück 246 befestigten Motor 244. Der Motor treibt ein an dem Ende von diesem befestigtes Blatt (leaf) 248 an. Das Blatt 248 steht derart im Eingriff mit den Enden des Hebels 218, daß eine Drehbewegung des Motors zu einer Bewegung des Hebels 218 um den Drehpunkt 220 führt. Dieses wiederum führt zu der Lateralbewegung des Mittels 227 zum Betätigen des Werkzeuges 214 an dem Werkzeugende 210 des Instrumentes 202. Der Motor bewegt sich als Antwort auf Bewegungen bei einer Steuerungshandhabe. Darüber hinaus können Kraftsensoren 248, 250 an den Enden des Blattes 248 befestigt sein. Damit kann ein Kraft-Feedback-System umfaßt werden, um die Kraft zu messen, welche zum Betätigen des Werkzeuges 214 an dem Werkzeugende 210 des Werkzeuges 202 notwendig ist. Wahlweise kann der Motor 244 eine daran befestigte Kraft-Feedback-Einrichtung 252 umfassen, welche auf ähnliche Weise verwendet werden kann.
Ein Vorteil einer Verwendung des von hinten zu bestückenden Werkzeugantriebes 200 ist, daß die Hülle 204 ständig in dem Patienten 12 verbleibt. Daher müssen die Werkzeuge weder neu ausgerichtet werden noch muß dies die Roboterarmanordnung 26, wenn Werkzeuge ersetzt oder ausgetauscht werden. Die Hülle 204 behält ihre Position relativ zu dem Patienten 12, egal ob ein Werkzeug hindurchgeführt wird oder nicht.
Das System 10 der vorliegenden Erfindung kann darüber hinaus mit einem oder zwei zusätzlichen Freiheitsgraden an der Spitze des Werkzeuges zur Verfügung gestellt werden. Aus Beispielszwecken werden zwei zusätzliche Freiheitsgrade beschrieben. Es ist jedoch verständlich, daß lediglich ein Freiheits grad vorhanden sein kann. Um die zusätzlichen Freiheitsgrade bereitzustellen, und wie es in den 13 bis 16 gezeigt ist, kann ein ein Gelenk aufweisendes chirurgisches Instrument 300 von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein. Das Instrument 300 kann an die Armanordnung 26 über eine Hülse und eine Halterung, wie es hierin beschrieben ist, gekoppelt sein. Um die Spitze des ein Gelenk aufweisendes Instrumentes 300 gelenkig zu bewegen, muß ein ein Gelenk aufweisender Werkzeugantrieb 500 (articulating tool driver) verwendet werden. Der ein Gelenk aufweisende Werkzeugantrieb 500 wird folgend detaillierter beschrieben. Der Master muß zwei zusätzliche, dazu hinzugefügte Freiheitsgrade aufweisen, um die Steuerungen für das Gelenk an der Spitze des Instrumentes 300 bereitzustellen. Die 25 beschreibt ein alternatives Master-Schema, welches die zwei zusätzlichen Freiheitsgrade umfaßt. Wie nachfolgend beschrieben, werden die zwei zusätzlichen Freiheitsgrade auf den Gelenkabschnitt des Instrumentes 300 abgebildet. Die zwei zusätzlichen Achsen des Masters werden als Jm6 und Jm7 bezeichnet.
Durch Aufnahme des ein Gelenk aufweisenden Instrumentes 300 und des ein Gelenk aufweisenden Werkzeugantriebes 500 und der zwei zusätzlichen Freiheitsgrade bei dem Master können schwierige Manöver auf einfacherer Art ausgeführt werden.
Es wird Bezug genommen auf die 13 bis 16. Das ein Gelenk aufweisendes Instrument 300 umfaßt allgemein eine gestreckte Stange 302, eine Hülle 304 und ein Werkzeug 306. Das Werkzeug kann ein Greifer, eine Schneideklinge, ein Retraktor, eine Näheinrichtung oder andere bekannte, bei Minimal Invasiven chirurgischen Operation verwendete Werkzeug sein. Die 27 bis 30 zeigen verschiedene Werkzeuge, die an dem distalen Ende des ein Gelenk aufweisenden chirurgischen Instrumentes 300 eingelagert sein können.
Das Instrument 300 umfaßt einen Gelenkabschnitt 301 mit einem proximalen Abschnitt 308, eine Drehverbindung 310 und einen distalen Abschnitt 212, von denen jeder detailliert nachfolgend beschrieben wird. Darüber hinaus umfaßt das Instrument 300 Mittel 311 zum gelenkigen Bewegen des Gelenkab schnitts 301 des Instrumentes 300 bezüglich der gestreckten Stange 302. Die Aufnahme des Gelenkabschnittes 301 liefert zwei zusätzliche Freiheitsgrade bei der Instrumentenspitze. Es sei ferner angemerkt, daß obwohl der Gelenkabschnitt 301 als einen proximalen Abschnitt, eine Drehverbindung und einen distalen Abschnitt aufweisen beschrieben ist, kann eine Mehrzahl von Zwischenabschnitten bereitgestellt sein, wobei diese untereinander über eine entsprechende Drehverbindung aneinander befestigt sein können.
Angeordnet zwischen und befestigt sowohl an dem proximalen als auch dem distalen Abschnitt und jedem dazwischen liegenden Zwischenabschnitt sind Drehverbindungen 310. Die Drehverbindung 310 steht in Eingriff mit dem proximalen und dem distalen Abschnitt des Gelenkabschnittes, um ein Gelenk an der Instrumentenspitze bereitzustellen. Das Zusammenwirken des proximalen Abschnittes, der Drehverbindung und des distalen Abschnittes wirkt im wesentlichen als eine universelle Verbindung bzw. Gelenk.
Die gestreckte Stange 302 ist vorzugsweise hohl und aus rostfreiem Stahl oder einem anderen bekannten sterilisierbaren Material gebildet. Da die Stange 302 hohl ist, umspannt und definiert sie einen Innenraum 314. Die gestreckte Stange 302 weist darüber hinaus ein proximales Endes 316 und ein distales Ende 318 auf. Das distale Ende 318 der gestreckten Stange 302 sollte nicht mit dem distalen Abschnitt 312 des Gelenkabschnittes 301 des Instrumentes 300 verwechselt werden.
Der proximale Abschnitt 308 des Gelenkabschnittes 301 kann einstückig mit der gestreckten Stange 302 ausgebildet sein, oder es kann daran durch eine Verschweißung, einen Kleber oder andere, dem Fachmann bekannte Mittel befestigt sein. Es ist bevorzugt, daß der proximale Abschnitt 308 einstückig mit der gestreckten Stange 302 ausgebildet ist, um eine ausreichende Stabilität und Haltbarkeit des Instrumentes 300 sicherzustellen. Der proximale Abschnitt 308 des Gelenkabschnittes 301 weist zwei Finger 320, 322 auf, wobei jeder eine durch diesen gebildete Öffnung 324, 326 aufweist.
Eine Drehverbindung 310 ist über eine Mehrzahl von Stiften 328 an dem proximalen Abschnitt 308 befestigt, die sich jeweils durch entsprechende Öffnungen in einen angrenzenden Finger erstrecken. Die Drehverbindung 310 ist eine üblicherweise ebene Scheibe 330 mit einer durch diese gehenden zentralen Öffnung 332 und vier Öffnungen 334, 336, 338, 340, die gleichmäßig beabstandet bei der Peripherie der Scheibe 330 gelegen sind. Zusätzliche Stifte 328 sind an dem Rand 342 befestigt und erstrecken sich von diesem. Die Stifte 328 sitzen in den Öffnungen der zugehörigen Finger, um die Gelenkeigenschaften des Instrumentes 300 bereitzustellen. Fünf Leitungen 350, 352, 354, 356, 358 erstrecken sich in der hohlen Stange. Eine Leitung 350 erstreckt sich durch die Mitte und verläuft durch die zentrale Öffnung 332 in der Drehverbindung 310. Zwei der fünf Leitungen, 352, 354, erstrecken sich durch das hohle Innere des Instrumentes und sind derart an der Drehverbindung befestigt, daß eine lineare Zugspannung an einem der Leitungen zu einer Drehbewegung des Drehabschnittes 301 führt. Diese zwei Leitungen 352, 354 sind bei zwei der durch diese gebildeten Öffnungen an der Drehverbindung befestigt. Darüber hinaus sind sie an den Öffnungen befestigt, die benachbart zu den Stiften sind, die durch die Finger des proximalen Abschnittes 308 des Gelenkabschnittes 301 des Instrumentes 300 hindurchgehen. Die zwei anderen Leitungen 356, 358 verlaufen durch die zwei anderen Öffnungen in der Drehverbindung und sind an dem distalen Ende des Gelenkabschnittes 301 befestigt. Eine Bewegung dieser zwei Leitungen führt zu einer Bewegung des Gelenkabschnittes 300, die orthogonal zu der Bewegung ist, die auftritt, wenn die zwei anderen Leitungen 352, 354 bewegt werden.
Um das Instrument als einen Teil des vorliegenden Systems gelenkig zu bewegen, und wie es in den 17–24 gezeigt ist, wird ein Gelenkmechanismus 400 bereitgestellt. Der Gelenkmechanismus 400 weist im allgemeinen den Gelenkwerkzeugantrieb 500, eine sterile Kopplungsstück 600, einen Übersetzer 700 und das gelenkig bewegbares Werkzeug 300 auf.
Der Übersetzer ist an dem proximalen Ende 316 des Instrumentes 300 befestigt. Das Instrument 300 kann zusätzlich ein entfernbares Werkzeug 420 enthalten, wie es in den 18–19 gezeigt ist. Das entfernbare Werkzeug 420 kann ein beliebiges Werkzeug wie beispielsweise ein Schneidewerkzeug sein, welches an der gestreckten Stange oder einem Kabel 424 befestigt ist. Bei dem Ende der Stange 246 ist ein flacher Abschnitt 428 mit einer darin ausgeformten Öffnung 430 angeordnet. Dieser flache Abschnitt 428 sitzt in einem Kanal 432, der an dem Ende eines zweiten Kabels oder Stange 434 angeordnet ist, die sich über den gestreckten Schaft des Instrumentes 300 erstreckt. Das zweite Kabel 434 weist einen derart darin am Ende davon ausgebildeten Kanal 432 auf, daß der flache Abschnitt 428 in dem Kanal 432 sitzt. Zumindest eine mit einer Feder vorgespannte Sperre 436 sitzt in der Öffnung 430, welche durch den flachen Abschnitt 428 gebildet ist. Dieses verbindet das Werkzeug 420 mit dem Rest des Instrumentes 300. Daher können Werkzeuge bei der Spitze des Instrumentes ausgetauscht werden, ohne daß das Instrument von dem System 10 entfernt werden muß, wann immer ein neues Werkzeug erforderlich ist.
Das Werkzeug 300 ist an dem Übersetzer 700 befestigt und ist im wesentlichen einteilig damit ausgebildet. Der Gelenkmechanismus 400 ist über eine Hülse 85 an der Roboterarmanordnung 26 befestigt, die oberhalb beschrieben ist. Die Hülse 85 paßt über den Schaft 302 des Instrumentes 300.
Der Übersetzer 700 weist ein proximales Ende 702 und ein distales Ende 704 auf. Das distale Ende 704 des Übersetzers 700 weist eine Querschnittsform auf, die im wesentlichen der Querschnittsform der gestreckten Stange 302 des Instrumentes 300 entspricht. Zusätzlich weist der Übersetzer 700 ein hohles Inneres 706 auf. Die zentrale Stange 350 erstreckt sich durch das hohle Innere 706 des Übersetzers 700 und tritt bei dem proximalen Ende 702 davon hervor. Zwei der Leitungen 352, 354 enden in dem Übersetzer bei zwei Schultern 708, 710, die an einer ersten hohlen Röhre 712 befestigt sind, durch welche sich die zentrale Leitung 350 erstreckt. Die erste hohle Röhre 712 kann aus einem starken haltbaren Material wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Stahl, Hartkunststoff oder ähnlichem gebildet sein.
Die erste hohle Röhre 712 ist derart an einem Lager 714 befestigt, daß sie gedreht werden kann. Eine Drehung der ersten hohlen Röhre 712 führt zu einer Linearbewegung der Leitungen 352, 354 und der gelenkigen Bewegung des Gelenkabschnittes 301 des Instrumentes 300 in einer Bewegungsebene.
Eine zweite hohle Röhre 716 weist ein Paar von Schultern 718, 719 auf, die sich von dieser erstrecken. Zwei Leitungen 356, 358 sind an je einer der Schultern 718, 719 befestigt. Die hohle Röhre 716 ist derart in einer Lageranordnung 720 angeordnet, daß sie gedreht werden kann. Wiederum führt eine Drehung der zweiten hohlen Röhre 716 zu einer linearen Bewegung der Leitungen 356, 358, welche den Gelenkabschnitt 301 des Instrumentes in einer Ebene orthogonal zu der Bewegungsebene, die durch die Rotation der ersten hohlen Röhre festgelegt wird, gelenkig bewegt. Es sei angemerkt, daß die zweite hohle Röhre 714 die erste hohle Röhre 712 radial umgibt. Der Übersetzer 700 umfaßt darüber hinaus einen Schnelltrennstecker 722, welcher einen Stift 724 aufweist, der an dem Ende eines mit einer Feder vorgespannten Hebels 726 angeordnet ist, welcher eine entfernbare Befestigung des Übersetzer 700 an einem sterilen Kupplungsstück 600 bereitstellt. Sowohl die hohle Röhre 712 als auch 716 können bei ihren Enden darin ausgebildete Aussparungen 750 aufweisen. Die Aussparungen dienen als Mittel 752 zum Verbinden jeder der Röhren mit dem sterilen Kupplungsstück 600, was detaillierter nachfolgend beschrieben wird.
Der Übersetzer 700 ist über den Schnelltrennstecker 722 entfernbar mit dem sterilen Kupplungsstück 600 verbunden. Da der Gelenkwerkzeugantrieb 500 nicht einfach zu sterilisieren ist, ist es vorteilhaft, ein steriles Kupplungsstück 600 zu verwenden, so daß Instrumente ausgetauscht werden können, ohne daß der Gelenkwerkzeugantrieb 500 sterilisiert werden muß. Darüber hinaus stellt das Kupplungsstück 600 Mittel bereit, mit welchen der Übersetzer 700 an dem Werkzeugantrieb 500 befestigt werden kann, während der Werkzeugantrieb von einem Abdecktuch 125 umfaßt ist, wie es beispielsweise in 26 gezeigt ist. Der Übersetzer 600 weist ein Gehäuse 610 auf. Vor zugsweise sind das Gehäuse und die Komponenten des Kupplungsstücks 600 aus einem einfach zu sterilisierenden Material wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Kunststoffen oder anderen bekannten sterilisierbaren Materialien geformt. Das Gehäuse 610 weist ein im wesentlichen hohles Inneres 612 und offene Enden 614 und 616 auf. Die hohlen Röhren 618 und 620 sind drehbar innerhalb des Gehäuses 610 angeordnet. Um die Drehung jeder der Röhren 618 und 620 zu bewirken, sind Lager 622 und 624 um jede der Röhren angeordnet. Jede der Röhren weist Aussparungen 626 auf, die an den Enden davon ausgebildet sind, um bei einem Ende die Befestigung des Übersetzers 700 an dem Kupplungsstück 600 zu bewirken, und um die Befestigung des Kupplungsstücks 600 an dem Gelenk-Werkzeugantrieb 500 bei dem anderen Ende davon zu bewirken.
Der Stift 724 an dem Übersetzer kann in einer Aussparung 628 sitzen, um den Übersetzer 700 an dem Kupplungsstück 600 zu befestigen. Darüber hinaus kann das Kupplungsstück 600 einen Stift 630 umfassen, der an einem mit einer Feder vorgespannten Drehpunkt 632 befestigt ist, um eine Befestigung des Kupplungsstücks an dem Antrieb 500 zu bewirken. Das Kupplungsstück 600 umfaßt darüber hinaus einen zentralen Abschnitt 634, der das Ende 351 des zentralen Kabels oder der zentralen Stange 350 verschiebbar aufnimmt. Das Ende 351 kann eine Spitze mit einer umlaufenden, um diese angeordneten Nut umfassen. Die Spitze sitzt in einer Ausnehmung 636, die in dem zentralen Abschnitt 634 ausgebildet ist und entfernbar durch zumindest eine mit einer Feder vorgespannte Arretierung 638 eingerastet ist. Eine Spitze 640, welche im wesentlichen der Spitze mit der umlaufenden Nut 353 entspricht, ist benachbart zu der Ausnehmung 636 angeordnet und dient zum Befestigen des Mittelkabels 350 an dem Gelenkwerkzeugantrieb 500, was detaillierter nachfolgend beschrieben wird.
Der Mittelabschnitt 634 ist dafür vorgesehen, in der innersten Röhre 618 seitwärts zu gleiten. Um eine solche gleitende Bewegung zu bewirken, kann ein Linearlager um den Mittelabschnitt in der innersten Röhre angeordnet sein. Wahlweise kann der Mittelabschnitt 634 aus einem Lagermaterial gebildet sein, welches ein problemloses Gleiten innerhalb der innersten Röhre 618 gewährleistet.
Das Kupplungsstück 600 ist entfernbar an den Gelenkwerkzeugantrieb 500 befestigt. Es ist vorgesehen, daß der Gelenkwerkzeugantrieb von einem Abdecktuch 125 umschlossen ist. Der Gelenk-Werkzeugantrieb 500 umfaßt ein im wesentlichen hohles Gehäuse 502 mit einem geschlossenen ersten Ende 504 und einem im wesentlichen offenen zweiten Ende 505. Fest in dem Gehäuse 502 angeordnet ist ein Greifermotor 506 und ein Paar von Gelenkmotoren 508 und 510. Jeder der Motoren steht in elektrischer Verbindung mit der Steuereinrichtung 46. Wahlweise können die Motoren Signale von der Steuereinrichtung über ein Transmitter/Receiver-System empfangen, wobei derartige Systeme bekannt sind. Es ist die Anwendung eines solchen Transmitter/Receiver-Systems bei der vorliegenden Erfindung, die neu ist. Der Greifermotor 506 ist an einer Lastmutter 510 befestigt, die eine Lastschraube 512 umgibt. Der Motor 506 empfängt die Steuersignale und dreht sich als Antwort darauf. Die Lastmutter 510 dreht sich, was die Lastschraube 512 seitlich bewegt. Die Lastschraube 512 ist an einer Lastzelle 514 befestigt, welche zum Messen der Kraft verwendet werden kann, die erforderlich ist, um das Kabel 350 seitlich zu bewegen, welches über das Kupplungsstück 600 mit dem Greifermotor 506 verbunden ist. Dieses kann in einem Kraft-Feedback-System verwendet werden, welches in dem System 10 der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann. Eine Stange 516 mit einem an der Spitze von dieser ausgebildeten Kanal 518 ist an der Lastzelle 514 befestigt. Als solches bewegt sich die Stange 516 auf eine lineare Art. Die Spitze 640 des Kupplungsstücks 600 sitzt in dem Kanal 518 und wird entfernbar durch zumindest eine mit einer Feder vorgespannte Arretierung oder mit einem anderen ähnlichen Befestigungsmechanismus 520 am Ort gehalten. Wenn ein Chirurg an einer Master-Handhabe die Greifer betätigt, dreht sich daher der Greifermotor 506 und bewegt die Stange 516 und wiederum das Mittelkabel 350, welches die Greifer an dem Werkzeug entsprechend öffnet und schließt. Natürlich hängt die Aktion bei dem Werkzeug von der Art des daran befestigten Werk zeuges ab. Wenn beispielsweise ein Klammerwerkzeug an einem Ende des chirurgischen Instrumentes 300 angeordnet ist, würde eine Klammer-Aktion stattfinden.
Wenn eine Master-Handhabe 50 oder 52 um Achsen J6 oder J7 gedreht wird, dreht sich einer der zwei Gelenkmotoren 510, 508 entsprechend der erforderlichen Bewegung. Jeder der Motoren 508, 510 ist an einem entsprechenden Getriebe 522, 524 befestigt. Jedes der Getriebe 522, 524 steht im Eingriff mit einem entsprechenden geschlitzten Abschnitt 530, 532 einer zugehörigen hohlen Röhre 526, 528, um die zugehörige Röhre radial um ihre Längsachse zu drehen. Jede der Röhren 526, 528 umfaßt gekerbte Enden 534, 536, um in die gekerbten Enden der entsprechenden hohlen Röhren an dem Kupplungsstück 600 einzugreifen. Es sei angemerkt, daß jede der hohlen Röhren 526, 528, 618 und 628 koaxial ist. Darüber hinaus können Lager zwischen jeder der Röhren 526 und 528 eingelagert sein, um eine einfache und unabhängige Drehbarkeit der einzelnen Röhren zu gewährleisten.
Wenn die Röhren 526, 528 gedreht werden, drehen sich die Röhren in dem Kupplungsstück, was die Röhren in dem Übersetzer dreht. Dies bedingt das Gelenk an der Spitze des chirurgischen Instrumentes 300. Insbesondere führt dies zu dem Gelenk des Gelenkabschnittes des chirurgischen Instrumentes 300. Egal ob der von vorne zu bestückende Werkzeugantrieb, der von hinten zu bestückende Werkzeugantrieb oder der Gelenk-Werkzeugantrieb verwendet werden, chirurgische Instrumente können einfach ausgetauscht werden.
Als solches kann eine Schneideklinge 800 gegen einen Greifer ausgetauscht werden, und ein Greifer kann gegen einen Klammerer 810 ausgetauscht werden. Im wesentlichen vereinfacht ein derartiges System die Durchführung von Minimal Invasiven chirurgischen Operationen, wenn die Operationen den Schritt des Austauschens von einem Werkzeug gegen ein anderes umfassen. Und da das System ein Gelenk an der Spitze von bestimmten Instrumenten ermöglicht, kann der Gelenkmechanismus verwendet werden, um derartige Klammer- oder Schneideinstrumente mit einem Gelenk zu versehen, die den weiter oben beschriebenen Gelenkabschnitt umfassen.
Ferner muß das Instrument kein ein Gelenk aufweisendes Instrument sein, aber der Gelenkmechanismus kann zum Steuern anderer Funktionen wie beispielsweise dem Klammern verwendet werden. 27 beschreibt ein Klammerinstrument 810, welches über die Hülse 85 und die Halterung 86 an der Roboterarmanordnung befestigt ist. Die Leitung, die üblicherweise für das Greiferwerkzeug verwendet wird, kann zum Bewirken des Klammermechanismus verwendet werden. Endoskopische Klammerer sind allgemein im Stand der Technik bekannt, jedoch ist es vordem bekannt, einen Klammerer zu verwenden, der an einem Roboterarm befestigt ist, wie es hierin beschrieben ist.
Ferner kann eine Schneideklinge, wie die in 28 gezeigte, mit dem System der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Schneideklinge 800 ist über die Hülse 85 und die Halterung 86 an der Roboterarmanordnung 26 befestigt. Die Schneideklinge erfordert keine Leitung, wie die, die für den Greifer oder den Klammerer erforderlich ist, jedoch kann das Schneidewerkzeug über den Gelenkmechanismus, der hierin oberhalb beschrieben wurde, gelenkig bewegt werden.
Ferner kann ein Kauterisierer oder Koagulator über die Hülse 85 und die Halterung an der Roboterarmanordnung 26 befestigt sein. Kauterisierer und Koagulatoren sind bekannt und das Kauterisierungswerkzeug kann, wie weiter oben beschrieben, an dem Ende des ein Gelenk aufweisenden Instrumentes befestigt sein. Durch Verwendung einer Mehrzahl von Werkzeugen in einer vorgegebenen Sequenz können verschiedene Operationen durchgeführt werden. Es ist allgemein bevorzugt, in der Lage zu sein, Instrumente zu wechseln, da viele Operationen ein solches erfordern.
Während verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, ist es verständlich, daß derartige Ausführungsbeispiele lediglich beschreibend und nicht beschränkend für die breite Erfindung sind, und daß diese Erfindung nicht auf die speziellen gezeigten und beschriebenen Konstruktionen und Anordnungen beschränkt ist, da verschiedene andere Modifikationen dem Durchschnittsfachmann einfallen.

Claims

Ein System (10), welches es einem Chirurg ermöglicht, eine Operation an einem Patienten durchzuführen, aufweisend: einen ersten Gelenkarm (16), welcher einen ersten End-Effektor aufweist; eine erste Eingabeeinrichtung (50), die von dem Chirurgen um ein erstes Eingabeeinrichtungsrauminkrement bewegt werden kann, um ein erstes Eingabekommando zu erzeugen; und eine Steuereinrichtung (46), die mit der ersten Eingabeeinrichtung und dem ersten Gelenkarm gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie das erste Eingabekommando aus der ersten Eingabeeinrichtung empfängt und ein erstes Ausgabekommando an den ersten Gelenkarm zur Verfügung stellt, so daß der erste End-Effektor um ein erstes End-Effektor-Rauminkrement bewegt wird, wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie das erste Eingabekommando derart skaliert, daß das erste Eingabeeinrichtungsrauminkrement von dem ersten End-Effektor-Rauminkrement abweicht; dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Filter aufweist, das so ausgebildet ist, daß es erste Eingabekommandos herausfiltert, welche einem Hand-Tremor des Chirurgen entsprechen.
Das System nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen zweiten Gelenkarm (18), welcher einen zweiten End-Effektor aufweist, und eine zweite Eingabeeinrichtung (52), welche von dem Chirurgen um ein zweites Eingabeeinrichtungsrauminkrement bewegt werden kann, so daß ein zweites Eingabekommando erzeugt wird, wobei die Steuereinrichtung (46) so ausgebildet ist, daß sie das zweite Eingabekommando von der zweiten Eingabeeinrichtung empfängt und ein zweites Ausgabekommando an den zweiten Gelenkarm zur Verfügung stellt, so daß der zweite End-Effektor sich um ein zweites End-Effektor-Rauminkrement bewegt, wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie das zweite Eingabekommando derart skaliert, daß sich das zweite Eingabeeinrichtungsrauminkrement von dem zweiten End-Effektor-Rauminkrement unterscheidet.
Das System nach Anspruch 2, ferner aufweisend einen dritten Gelenkarm (20), der ein Endoskop (28) hält, und eine dritte Eingabeeinrichtung (48), welche so ausgebildet ist, daß sie einen Befehl von dem Chirurgen empfängt und ein drittes Eingabekommando in Erwiderung des Befehls erzeugt, wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie das dritte Eingabekommando empfängt und ein drittes Ausgabekommando an den dritten Gelenkarm zum Bewegen des Endoskops (28) zur Verfügung stellt.
Das System nach Anspruch 1, wobei die erste Eingabeeinrichtung eine von dem Chirurgen bewegbare Master-Handhabe (50) ist, wobei die Eingabeeinrichtung ferner eine Eingabetaste aufweist, die mit der Steuereinrichtung (46) gekoppelt ist, um den ersten Gelenkarm (16) derart zu aktivieren, daß eine Bewegung des ersten End-Effektors in Verbindung mit einer Bewegung der Master-Handhabe freigeben wird, und um den ersten Gelenkarm derart zu deaktivieren, daß der erste End-Effektor ortsfest bleibt, wenn die Master-Handhabe von den Chirurgen bewegt wird.
Das System nach Anspruch 4, wobei die Master-Handhabe um einen Master-Drehpunkt schwenkbar ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Eingabeeinrichtung einen ersten Positionssensor aufweist, um ein erstes Eingabepositionssignal zur Verfügung zu stellen, und einen zweiten Positionssensor aufweist, um ein zweites Eingabepositionssignal zur Verfügung zu stellen, wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie einen ersten Skalierungsfaktor für das erste Eingabepositionssignal und einen zweiten Skalie rungsfaktor für das zweite Eingabepositionssignal zur Verfügung stellt.
Das System nach Anspruch 1, wobei sich der erste Gelenkarm um einen an einer Inzision des Patienten lokalisierten Drehpunkt dreht.
Das System nach Anspruch 1, wobei der erste Gelenkarm (16) ein passives Gelenk (42) aufweist, das mit einem in eine Inzision einführbaren ersten End-Effektor gekoppelt ist, wobei die Inzision einen ersten Drehpunkt für den ersten End-Effektor definiert und wobei das von der Steuereinrichtung zur Verfügung gestellte erste Ausgabekommando so ausgebildet ist, daß es eine Bewegung des ersten End-Effektors relativ zu dem ersten Drehpunkt bewirkt.
Das System nach Anspruch 8, ferner aufweisend einen zweiten Gelenkarm (18), welcher einen zweiten End-Effektor aufweist, und eine zweite Eingabeeinrichtung (52), die in Abhängigkeit von einem Befehl von dem Chirurgen ein zweites Eingabekommando erzeugen kann, wobei die Steuereinrichtung (46) so ausgebildet ist, daß sie das zweite Eingabekommando aus der zweiten Eingabeeinrichtung empfängt und ein zweites Ausgabekommando an den zweiten Gelenkarm zur Verfügung stellt, so daß sich der zweite End-Effektor um einen an einer zweiten Inzision des Patienten angeordneten zweiten Drehpunkt bewegt.
Das System nach Anspruch 9, ferner aufweisend einen dritten Gelenkarm (20), der ein Endoskop (28) hält, und einer dritten Eingabeeinrichtung (48), die so ausgebildet ist, daß sie einen Befehl von dem Chirurgen empfangen und ein drittes Eingabekommando in Abhängigkeit von dem Befehl erzeugen kann, wobei die Steuereinrichtung (46) so ausgebildet ist, daß sie das dritte Eingabekommando empfängt und ein drittes Ausgabekommando an den dritten Gelenkarm zur Verfügung stellt, so daß sich das Endoskop um einen an einer dritten Inzision des Patienten angeordneten dritten Drehpunkt bewegt.
Das System nach Anspruch 10, wobei die erste Eingabeeinrichtung eine Master-Handhabe (50) ist, die von dem Chirurgen bewegt werden kann.
Das System nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen zweiten Gelenkarm (18), welcher einen zweiten End-Effektor aufweist, und eine zweite Eingabeeinrichtung (52), welche von dem Chirurgen um ein zweites Eingabeeinrichtungsrauminkrement bewegt werden kann, so daß ein zweites Eingabekommando erzeugt wird, wobei die zweite Eingabeeinrichtung eine zweite Eingabetaste aufweist, die von dem Chirurgen gedrückt werden kann, wobei die Steuereinrichtung (46) so ausgebildet ist, daß sie das zweite Eingabekommando von der zweiten Eingabeeinrichtung empfängt und ein zweites Ausgabekommando an den zweiten Gelenkarm zur Verfügung stellt, so daß sich der zweite End-Effektor bewegt, wenn die zweite Eingabetaste gedrückt ist.
Das System nach Anspruch 12, ferner aufweisend einen dritten Gelenkarm (20), der ein Endoskop (28) hält, und eine dritte Eingabeeinrichtung (48), die einen Befehl von dem Chirurgen empfangen kann und welche ein drittes Eingabekommando in Abhängigkeit von dem Befehl erzeugt, wobei die Steuereinrichtung (46) so ausgebildet ist, daß sie das dritte Eingabekommando empfängt und ein drittes Ausgabekommando an den dritten Gelenkarm zur Verfügung stellt, um das Endoskop (28) bewegen.
Das System nach Anspruch 12, wobei die erste Eingabeeinrichtung eine Master-Handhabe enthält, die um einen Master-Drehpunkt herum drehbar ist.
Das System nach Anspruch 8 oder 12, wobei die erste Eingabeeinrichtung eine Master-Handhabe (50) ist, die von dem Chirurgen bewegt werden kann, wobei die Eingabeeinrichtung ferner eine Eingabetaste aufweist, die mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist, um den ersten Gelenkarm zu aktivieren, so daß der erste End-Effektor in Verbindung mit einer Bewegung der Master-Handhabe bewegt wird, und um den ersten Gelenkarm zu deaktivieren, so daß der erste End-Effektor ortsfest bleibt, wenn die Master-Handhabe von dem Chirurgen bewegt wird.
Das System nach einem der Ansprüche 1, 8 oder 12, wobei der erste End-Effektor einen Kraftsensor aufweist und die erste Eingabeeinrichtung ein Stellglied aufweist, das mit dem Kraftsensor gekoppelt ist, um eine Kraft an den Chirurgen anzulegen, die einer von dem Kraftsensor erfaßten Kraft entspricht.
Das System nach Anspruch 16, wobei die an den Chirurgen angelegte Kraft ein skaliertes Inkrement der von dem Kraftsensor erfaßten Kraft ist.
Das System nach Anspruch 11 oder 12, wobei der erste End-Effektor so ausgebildet ist, daß er sich um ein skaliertes Inkrement einer Bewegung der Master-Handhabe bewegt.
Das System nach Anspruch 1, 8 oder 12, wobei der erste Gelenkarm (16) ein chirurgisches Instrument (22) enthält, das mit einem Roboterarm (26) über einen sterilen Koppler (45) gekoppelt ist.
Das System nach Anspruch 19, wobei der Roboterarm (26) von einem sterilen Beutel (45) eingeschlossen ist.
Das System nach Anspruch 12, wobei der erste Gelenkarm um einen an einer Inzision des Patienten angeordneten Drehpunkt drehbar ist.
Das System nach Anspruch 21, wobei der erste Gelenkarm ein Paar passiver Gelenke (40, 42) aufweist.
Das System nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen abnehmbaren Koppler, der drehbar mit dem Arm befestigt ist; und ein endoskopisches chirurgisches Instrument, das von dem Koppler gehalten wird, wobei das endoskopische chirurgische Instrument den End-Effektor aufweist.
Das System nach Anspruch 23, wobei der Koppler abnehmbar an dem ersten Gelenkarm befestigt ist.
Das System nach Anspruch 23, wobei das endoskopische chirurgische Instrument ein ein Gelenk aufweisendes endoskopisches chirurgisches Instrument ist.
Das System nach Anspruch 25, wobei das ein Gelenk aufweisende chirurgische Instrument eine Basis, ein Drehverbindung und ein vorderes Ende aufweist.
Das System nach Anspruch 26, wobei eine Bewegung an der Steuereinrichtung zu einer entsprechenden Bewegung des vorderen Endes des ein Gelenk aufweisenden chirurgischen Instruments relativ zu der Basis des chirurgischen Instruments führt.
Das System nach Anspruch 23, wobei der Koppler eine durch ihn hindurchgehende Öffnung aufweist.
Das System nach Anspruch 27, wobei das an dem vorderen Ende des ein Gelenk aufweisenden chirurgischen Instruments befestigte Werkzeug ein Klammerer ist.
Das System nach Anspruch 27, wobei das an dem vorderen Ende des ein Gelenk aufweisenden chirurgischen Instruments befestigte Werkzeug ein Kauterisierer ist.