用於引導外科輔助儀器的手術輔助系統的製作方法

2023-09-09 16:48:10 3

專利名稱：用於引導外科輔助儀器的手術輔助系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種按照權利要求1的前序部分所述的用於根據對操作元件的至少 一個功能按鍵的手動操作引導外科輔助儀器、特別是引導具有內窺鏡的照相機系統的手術 輔助系統。
背景技術：
例如DE 103 52 197公開了一種手術輔助系統，其用於在微創的介入(Eingriff) 或手術時引導外科輔助儀器、例如照相機系統等。DE 10 2004 052 753 Al涉及一種用於藉助於手術輔助系統參照導向的外科儀器 來控制至少一個外科輔助儀器的引導跟進(Nachfiihrimg)的方法，其中，在微創地介入時 確定第一傳感元件在三維測量空間中的實際的位置數據，其中，第一傳感元件設置在導向 的外科儀器的從病人身體中伸出的部分上。根據所確定的導向的外科儀器的位置數據計算 待引導跟進的外科輔助儀器的位置數據並且通過手術輔助系統對該外科輔助儀器相應地 進行引導跟進。Nassir Navab 等人在 IEEE，2000 中發表的「Visual Servoing ForAutomatic and Uncalibrated Needle Placement For PercutaneousProcedures，，中已知一禾中在經皮手術 方法的範圍內用於圖像控制地引導針或外科儀器的方法，其中，通過成像方法向手術醫生 顯示待引導的針或待引導的外科儀器的實際位置。W003/041057A2記載了一種系統和一種對應的方法，用於通過機器人單元或 機器手進行圖像引導的儀器控制，待引導的儀器設置在機器人單元或機器手上。從 US2003/0187351中也可以獲知一種用於在外科手術中引導外科儀器的系統。但缺點在於，由現有技術已知的手術輔助系統在通過手術輔助系統機動地引導的 輔助儀器的運動空間上受到限制。

發明內容
本發明的目的在於，給出一種用於引導外科輔助儀器、特別是具有內窺鏡的照相 機系統的手術輔助系統，該手術輔助系統的特別之處在於，精確地引導儀器、被引導的外科 輔助儀器擴大的運動空間以及高度的易操作性。該目的從權利要求1的前序部分的特徵出 發通過其特徵部分的特徵實現。根據本發明的手術輔助系統的一個重要方面在於，設置有控制及分析程序，該程 序用於確定外科輔助儀器相對於延伸通過穿刺點的笛卡爾病人坐標系的空間軸的傾斜角 並設計成用於將所確定的傾斜角與規定的設定傾斜角進行比較，其中，在所確定的傾斜角 超過設定傾斜角時，使外科輔助儀器的尖部在容納尖部的部分球表面上引導，而在所確定 的傾斜角低於設定傾斜角時，沿延伸通過輔助儀器的尖部的切線將外科輔助儀器的尖部引 導到所述部分球表面上。在根據本發明的手術輔助系統的一個有利的變型中，在所確定的傾斜角超過設定傾斜角的情況下，在同心地圍繞穿刺點的圓形軌道上引導輔助儀器的尖部。設定傾斜角有利地選擇在10°至25°之間、優選在15°至20°之間。由此即使 在傾斜角特別小時以及輔助儀器的縱軸接近垂直於χ-y平面延伸時也能實現外科輔助儀 器的精確引導。在輔助儀器的尖部相對於笛卡爾病人坐標系的ζ軸達到足夠的距離之後， 實施從切線控制到球形控制的自動切換。根據所選擇的控制類型實現用於在病人身體內引 導外科輔助儀器的尖部的導向軌道的計算。根據本發明的手術輔助系統的改進、優點和使用可能性是從屬權利要求的對象。


下面根據一個實施例參考附圖詳細描述本發明。其中圖1示出手術輔助系統的透視圖；圖2示出帶有已連接的操作元件與監視器單元的計算機系統的示意性方框圖；圖3示出病人身體的橫截面圖，其中將照相機系統的內窺鏡的尖部導入手術空間 中；圖4示出笛卡爾病人坐標系的x-y平面的俯視圖，其中，沿切線引導內窺鏡的尖 部；圖5示出用於控制手術輔助系統的處理評價及控制程序的流程圖；圖6示出配準程序的流程圖；以及圖7示出手術程序的流程圖。
具體實施例方式在圖1中用附圖標記1表示的用於醫學介入特別是在微創手術中的手術輔助系統 用於引導外科輔助儀器，例如用於引導具有內窺鏡3的照相機系統2。外科輔助儀器，特別 是經過小型的手術開口(套管針)或穿刺點(TrOkarpimkt)T將照相機系統2的內窺鏡3 導入病人身體20內部的手術空間19。手術輔助系統1具有外殼4，在外殼中安置有主要的功能及控制元件，該外殼可以 例如在側面固定在手術臺5上，並且在所示的實施方式中通過兩個可手動操作的夾緊裝置 6來固定，這兩個夾緊裝置相互錯開地設置在外殼4的共同的側面上，並且為了其操作分別 設有擺動杆7。為了控制手術輔助系統1以及為了處理通過照相機系統2產生的圖像數據， 將手術輔助系統1連接到計算機系統CS上。支承柱8突出於手術輔助系統1的外殼4的上側，所述支承柱可通過安裝在外殼4 中的電機式的驅動裝置(未在圖中示出)繞豎直的軸線VA(豎軸)受控地轉動或擺動。在 支承柱8的上端部區域中通過一鉸鏈9將一內部的臂10的一個或下面的端部鉸接在該支 承柱上。此時，主要由鉸鏈銷和所述的支承件組成的鉸鏈9構成為，使得臂10以其下端部 插入支承柱8的敞開的上端部中，並在那裡被支承柱8叉狀地包圍。製造成由輕但穩固的 材料、例如由纖維強化的塑料，例如由玻璃纖維強化或碳纖維強化的塑料製成的空心體的 臂10在臂縱向上彎曲地構成，確切地說在臂上側10. 1是凸的，而在臂下側10. 2是凹的。臂10的遠離支承柱8的端部上，一外部的臂12通過鉸鏈11鉸接在臂10上。鉸鏈11主要由支承元件及鉸鏈銷組成，鉸鏈銷在兩端從臂10中引出。臂12的一個端部以適 當的方式通過未示出的連接系統抗旋轉但可拆卸地與鉸鏈銷的一個從臂10中引出的端部 連接。同樣製造成由輕但穩固的材料、例如由纖維強化的塑料，例如由玻璃纖維強化或碳纖 維強化的塑料製成的空心體的臂12在臂的縱向上彎曲，確切地說在臂上側12. 1是凹的，在 臂下側12. 2是凸的。通過另一個鉸鏈13將一 L形工具支架14的短邊14. 1可自由轉動地支承在臂12 的遠離臂10的端部上，具體地能繞平行於工具支架14的長邊14. 2的縱向延伸方向的軸線 自由轉動。在工具支架14上在長邊14. 2的遠離短邊14. 1的端部上設置一構成為卡扣件 (Klipp)的工具保持件15，內窺鏡3通過卡接可拆卸地固定在工具保持件上，其本身可藉助 於鉸鏈16繞垂直於鉸鏈13的軸線的軸線轉動和擺動。在所示的實施方式中，鉸鏈9、11和13的擺動軸線是互相平行或基本上互相平行 定向的水平的或基本上水平的軸線。鉸鏈13和16是自由鉸鏈，就是說，這些鉸鏈使工具支 架14能相對於臂12的自由擺動或使保持件15能相對於工具支架14的自由擺動。相反， 鉸鏈9和11分別形成用於特別是在分別採用一液壓驅動裝置的情況下受控地液壓操作的 擺動運動的受控的軸線，所述驅動裝置通過安置在外殼4中的控制裝置17控制。這裡控制 裝置17設置成用於產生用於控制手術輔助系統1在笛卡爾坐標系中的運動學過程的不同 的驅動裝置的控制信號。下面將配設給手術輔助系統1的運動學過程的、帶有空間軸x，y， ζ的笛卡爾坐標系稱為參考坐標系BKS。為了設置手術輔助系統1或內窺鏡3相對於手術開口或穿刺點T(應穿過手術開 口或穿刺點T將內窺鏡3導入手術空間19中)的零位置或起始位置，在臂12的自由端 上設有棒形的配準鍵18，其在遠離臂12的端部上具有球形頭部。剛性地設置在臂12上 的配準鍵18的球形頭部這裡相對於手術輔助系統1的受控的軸的基準位置或起始位置 或者說相對於參考坐標系BKS具有確定的位置。手術前，手術輔助系統1這樣進行配準 (Registrierimg)，使得將鍵18引導到已經在手術臺上定位的病人的這樣的區域，在該區 域中設置有用於導入內窺鏡3的手術開口或穿刺點Τ。由此確定病人坐標系PKS，其具有相 對於參考坐標系BKS預先規定的偏移矢量VO。偏移矢量VO在參考坐標系BKS中的笛卡爾 坐標Χ0，Υ0，ZO優選儲存在控制裝置17中。為了控制輔助儀器的運動，特別是手術輔助系統1的內窺鏡3的運動設有至少一 個操作元件ΒΕ，其例如可以設計成腳踏開關、操縱杆或手動操作件。在圖2中舉例示出了這 種的操作元件ΒΕ，該操作元件包括例如六個功能按鍵Τ1-Τ6。操作元件BE連接到計算機系 統CS上，該計算機系統具有至少一個控制單元⑶和一個存儲單元MlL為了分析和繼續處理通過照相機系統2產生的圖像數據，以及為了控制輔助儀器 特別是內窺鏡3的運動，計算機系統CS通過操作單元BE與手術輔助系統1的控制裝置17 以及照相機2連接，具體地優選通過圖中未示出的接口單元或總線系統，例如CAN總線系統 連接。為了顯示通過照相機系統2產生的並為了繼續處理傳送給計算機系統CS的圖像 B，在計算機系統CS上連接一監視器單元ME。在監視器單元ME上顯示經由內窺鏡3通過照 相機系統2獲取的圖像B，該圖像向手術輔助系統1的操作者顯示手術空間19的位於內窺 鏡3的尖部S之前的區域。
這裡在手術輔助系統1投入運行和配準時，在監視器單元ME上顯示的圖像B的圖 像水平線通過照相機系統2繞其縱軸線L的旋轉來調整，使得圖像水平線與操作者的自然 觀察方式相適應。因此由在控制單元⑶中運行的控制及分析程序SAR獲取手動調節的偏 移角wo並將其存儲在存儲單元MU中。通過測得的偏移角wo確保，在手術空間19內對內 窺鏡3進行引導的範圍中，在監視器單元ME上顯示的圖像B的圖像水平線接近保持不變。控制及分析程序SAR在這裡設計成，將由操作元件BE通過操作功能按鍵T1-T6產 生的控制指令sbl-sbe轉化成用於控制手術輔助系統1的內窺鏡3的運動的相應的控制信 號SS1-SS6，這些控制信號被輸送給控制裝置17，用於繞相應配設的軸或鉸鏈9、11、13、16 驅動其臂系統10、12、14。這裡事先計算各個臂10、12、14將移動到的、在具有三個空間軸 X、Y、Z的參考坐標系BKS中的設定位置。操作元件BE具有例如用於使在監視器單元ME上顯示的圖像B朝圖像左邊緣擺動 的第一功能按鍵Tl，用於圖像B朝圖像右邊緣擺動的第二功能按鍵T2，以及用於圖像B朝 圖像上邊緣和圖像下邊緣擺動的第三和第四功能按鍵T3、T4。另外還設置用於「縮放」所 顯示圖像B的第五和第六功能按鍵T5、T6，具體地在操作第五功能按鍵T5的時候，內窺鏡3 繼續向手術空間19中移動，而在操作第六功能按鍵Τ6時，將其從所述手術空間中導出。因 此手術輔助系統1的操作者通過相應地操作操作單元BE的第一至第六功能按鍵Τ1-Τ6能 夠使內窺鏡3在手術空間19內部進行最大360°的轉動，此時內窺鏡3以相對於垂直地通 過穿刺點延伸的笛卡爾病人坐標系PKS的空間軸Z傾斜最大100°的角度，以及向手術空間 19中進入至約300mm的深度。為了能夠藉助功能按鍵T1-T6高精度地引導內窺鏡3，需要準確地識別臂系統10、 12,14的運動軸關於初始點、具體地關於穿刺點T的設定位置。為此通過配設給不同的運動 軸線的各個傳感器存儲臂系統10、12、14的鉸鏈9、11、13、16關於參考坐標系BKS在作為用 於進一步的控制的起始點的穿刺點T處的坐標。同時穿刺點T形成具有空間軸x，y，z的笛 卡爾病人坐標系PKS的原點，就是說，給穿刺點T分配笛卡爾病人坐標系PKS的三個空間軸 X，1, ζ 的笛卡爾坐標 xT = 0, yT = 0，zT = 0。此外，測定的穿刺點T的笛卡爾坐標XT，yT，zT同時還形成了用於在手術期間引導 輔助儀器或內窺鏡3的，即在手術工作模式中設置的球坐標系的中點M。這裡通過球坐標系 的球坐標r、Φ、θ展成的球表面的球中點M與穿刺點T重合。這裡內窺鏡3的與照相機系 統2相對立的尖部S位於通過球坐標rs，Φ s，θ s展開的球表面或部分球表面TG上。通過球坐標rs給出了尖部S到穿刺點T的距離rs，即內窺鏡3進入手術空間19 中的進入深度。球坐標Os給出了繞笛卡爾坐標系的ζ軸的旋轉角，即相對於笛卡爾坐標 系χ軸沿逆時針方向的旋轉角。在這裡內窺鏡3的尖部S的球坐標θ s對應於內窺鏡3的 縱軸L相對於笛卡爾病人坐標系PKS的ζ軸的傾斜角w和一 +/-180°的角度的和。圖3舉例示出在病人身體20的手術空間19中通過穿刺點T導入的內窺鏡3的示 意性側視圖，其中笛卡爾病人坐標系PKS的原點對應於穿刺點Τ。由此圖3中笛卡爾病人 坐標系PKS的ζ軸位於圖平面中，而笛卡爾病人坐標系PKS的x-y平面垂直於圖平面延伸。 病人身體20位於具有與x-y平面平行的平臥面的手術桌5上，其中，x-y平面通過笛卡爾 病人坐標系PKS的空間軸χ、y展成。輔助儀器或內窺鏡3的縱軸L延伸通過穿刺點T並因此通過笛卡爾病人坐標系PKS的零點，並與Z軸成一傾斜角W，具體地該傾斜角W在手術工作模式中為0°至100°。 在圖4中舉例示出了在圖3中描繪的笛卡爾病人坐標系PKS的x-y平面的俯視圖。在圖3 和4中不僅示出內窺鏡3的尖部S在病人坐標系PKS中的笛卡爾坐標xs，ys，Zs，而且示出 內窺鏡3的尖部S在球坐標系中對應的球坐標rs，Os, θ s。接下來舉例說明通過在控制單元⑶中運行的控制及分析程序SAR對藉助於手術 輔助系統1對外科輔助儀器3的引導進行的控制。圖5中用流程圖舉例示出控制及分析程 序SAR的各運行步驟。控制及分析程序SAR啟動後，檢查操作元件BE的正確的工作方式，接下來執行用 於配準手術輔助系統1的配準程序RR。手術輔助系統1或臂系統10、12、14的配準通過具 有六個運動方向+/-X，+/-Y，+/-Z的三個空間軸X，Y，Z規定的笛卡爾參考坐標系BKS在每 個穿刺點T上的映射來實現。據此定義了病人坐標系統PKS。通過操作第一至第六功能按 鍵Τ1-Τ6產生的控制指令sbl-sbe由配準程序RR映射成臂系統10、12、14沿六個運動方向 +/-X, +/-Y, +/-Z 的運動。運行配準程序RR之後或將笛卡爾參考坐標系BKS的原點映射到穿刺點T上之後， 手術輔助系統ι的臂系統10、12、14例如移動到等待位置。在等待位置中或在將內窺鏡3導入手術空間19之後，調節在監視器單元ME上顯 示的圖像的圖像水平線，具體地通過照相機系統2繞縱軸L的旋轉進行調節。該調節可以通 過手動或電子式地例如通過配設的驅動單元實現。相對於臂系統10、12、14的軸的當前所 在的設定位置所調節的旋轉角作為偏移角wo存儲在存儲單元MU中。例如可以藉助圖像處 理軟體對圖像B的要在監視器單元ME上示出的邊緣進行處理，使得在手術空間19中對內 窺鏡3進行引導的範圍內，在監視器單元ME上顯示的圖像B的圖像水平線接近保持不變。調節圖像水平線之後在手術工作模式中控制手術輔助系統1。為此通過控制及分 析程序SAR執行手術程序OR。手術完成之後，手術輔助系統1的臂系統10、12、14移入規定 的停靠位置且必要時例如在不同的穿刺點T處重新執行控制及分析程序SAR。圖6舉例示出了配準程序RR的流程圖。如果通過配準程序RR識別到六個功能按 鍵T1-T6中的一個被按壓，則在下一個步驟中檢查，是否同時存在對相反的功能按鍵T1-T6 的操作。如果例如同時操作第一和第二功能按鍵T1、T2，則不會進行對臂系統10、12、14的 致動。由此確保了，故障按鍵或者操作相反的按鍵及時由控制及分析程序SAR識別，並可以 通過所述程序導入適當的安全措施，例如自動斷開驅動裝置。為了設置穿刺點T並因此對手術輔助系統1進行配準，控制配準鍵18的球形頭部 到達位於手術臺5上的病人身體20的穿刺點T處，具體地通過對功能按鍵Τ1-Τ6的相應操 作來控制。接著由校正的零位置或起始位置出發在控制及分析程序SAR中計算得出臂系統 10、12、14的軸在笛卡爾參考坐標系BKS中的設定位置，具體地通過採用偏移矢量VO來計 算。手術輔助系統1現在相對於穿刺點T配準。在手術工作模式中，在控制單元CU中運行手術程序OR。對外科輔助儀器、特別是 具有內窺鏡3的照相機系統2的引導這裡優選周期地進行，即，以通過優選數字的控制單元 CU規定的時鐘周期(Taktzeit)進行。在第一步驟中檢查是否按壓了功能按鍵T1-T6中的至少一個。如果是這樣，則通 過手術程序OR從最後存儲的軌道位置出發沿所確定的引導軌道實施對內窺鏡3的尖部S
8的引導。但如果操作者沒有按壓功能按鍵T1-T6，則實際也會確定用於接下來的軌道計算的 起始點的坐標，具體地確定輔助儀器或內窺鏡3的尖部S在笛卡爾病人坐標系PKS中的坐 標XS、yS、ZS。實際確定的或已經存儲的內窺鏡3的尖部S的坐標XS、yS、ZS接下來被換算 成對應的球形坐標系的對應的球坐標rs、Os, s。所需的換算公式長期以來就是由現有 技術已知的。根據所確定的尖部S的球坐標rs、Φ s、θ s確定內窺鏡3相對於笛卡爾病人坐標 系PKS的Z軸的傾斜角W，該傾斜角可約在0°至100°之間。將所確定的傾斜角W與所選 擇的、存儲在存儲單元MU中的設定傾斜角ws進行比較，該設定傾斜角在10°至25°之間， 優選在15°至20°之間。如果傾斜角w超過設定傾斜角ws，則在一在通過球坐標rs、Φ S、θ s展成的部分 球表面TK上延伸的軌道上、優選在一圓形軌道KB上引導內窺鏡3的尖部S。根據對第一到 第四功能按鍵Τ1-Τ4的操作實現沿相應選擇的運動方向在部分球表面TK或在相應的圓形 軌道KB上對尖部S進行跟進引導。在球(坐標)控制的範圍中，內窺鏡3的尖部S在具有 類似的經度和緯度的圓形軌道上運動，所述圓形軌道在手術空間19中展成的部分球形表 面TK上，所述圓形軌道的平面垂直於或平行於χ-y平面設置。對第一或第二功能按鍵Tl、 T2的操作對應於在繞ζ軸同心延伸的圓形軌道KB(見圖4)上向左或向右的運動，並因此近 似地對應於在監視器單元ME上顯示的圖像B的向左或向右的運動。與此類似地，對第三或 第四功能按鍵T3、T4的操作對應於在垂直於χ-y平面延伸的圓形軌道KB上向上或向下的 運動。如果所確定的傾斜角低於設定傾斜角ws，則沿一延伸通過內窺鏡3的尖部S的且 在貼靠在部分球表面TK上的切線TG引導內窺鏡3的尖部S。在切線控制的範圍中，內窺 鏡3的尖部S根據尖部S的也確定圖像轉動和圖像水平線的實際的位置相對於在手術空間 19中展成的部分球表面TK切向地運動，具體地沿被轉動的圖像B的兩個主軸的方向運動。 在連續地控制尖部S向左或向右運動時，即連續操作第一或第二功能按鍵T1、T2時，尖部S 的運動不是描述圓形軌道，而是螺旋運動軌道。類似於球形控制在垂直於x_y平面延伸的 圓形軌道上實現向上或向下的控制。由此得到的至少兩個不同的控制類型，用於確定新的設定位置，即，確定內窺鏡3 的尖部S在通過控制類型規定的運動軌道上藉助驅動系統要移動到的更新的球坐標r' S、 Φ' S, Θ' s，就是說根據所確定的傾斜角w以不同的方式計算由於操作第一至第四功能 按鍵T1至Τ4所確定的運動軌道。必要時將新的設定位置或要移動到的被更新的球坐標 r' s, Φ' s、 ' s存儲在存儲單元MU中。操作第五和第六功能按鍵T5、T6在兩種情況下導致例如部分球的半徑rs變大或 變小。此外，尖部S在規定的運動軌跡上的更新的球坐標r' S、Φ 『 S、θ 『 s的確定取決 於第一至第四功能按鍵Tl至Τ4的操作類型和持續時間。接下來針對尖部S'的更新的球坐標r' s,0' s, Θ' s確定尖部S'在笛卡爾 病人坐標系PKS中的更新的坐標χ' s、y' s、z' S，並將其換算成尖部S'在笛卡爾參考 坐標系BKS中的更新的坐標X' s, Y' s, Z' S。由此出發確定用於控制臂系統10、12、14 的驅動裝置的相應軸速度設定值(Sollwert)Vtj必要時根據所存儲的偏轉角wo應用照相機 系統2繞縱軸L的旋轉角來補償圖像水平線。
前面針對一個實施例對本發明進行了說明。可以理解，可以實現大量的改變方案 以及變型方案，而不會由此偏離構成本發明的基礎的發明構思。例如存在設置多個穿刺點T以及在這些穿刺點之間交替的可能性。此外為了保證 手術輔助系統1的安全性，除了排除相反地操作功能按鍵T1-T6以外，還可以藉助中央的能 源開關來中央地通斷驅動驅動裝置所需的能量供給。控制及分析程序SAR也可以設置圖像處理程序，用於視覺上識別內窺鏡3的尖部 S與存在於手術空間19中的組織的有威脅的碰撞，該圖像處理程序例如說可以分析在所生 成的圖像中存在的明暗對比度和其在時間上的變化。附圖標記列表
1手術輔助系統
2照相機系統
3內窺鏡
4外殼
5手術臺
6夾緊裝置
7擺動杆
8支承柱
9鉸鏈
10臂
10. 1臂上側
10. 2臂下側
11鉸鏈
12臂
12. 1臂上側
12. 2臂下側
13鉸鏈
14工具支架
14. 1短邊
14. 2長邊
15保持件
16鉸鏈
17控制裝置
18配準鍵
19手術空間
20病人身體
B圖像
BE操作元件
BKS笛卡爾參考
CS計算機系統
10
CU控制單元L 縱軸ME監視器單元MU存儲單元OR手術程序PKS笛卡爾病人坐標系R' s, Φ' S, Θ 『 s移動尖部更新的球坐標RR配準程序rs，Φ s，θ s尖部的球坐標S, S'尖部SAR控制及分析程序sbl_sb6 控制指令ssl-ss6 控制信號T穿刺點T1-T6第一至第六功能按鍵TG 切線TK部分球表面V軸速度設定值VO偏移矢量VA垂直軸w傾斜角wo偏移角ws理論傾斜角X，Y，Z笛卡爾參考坐標系中的軸的坐標X，y，ζ笛卡爾病人坐標系的坐標V，Y' ,V笛卡爾參考坐標系的更新的坐標χ' s,y' s, ζ' s移動尖部的更新的笛卡爾坐標X0，Y0，ZO偏移矢量的坐標xs，ys，zs尖部的笛卡爾坐標xT，yT，zT穿刺點的笛卡爾坐標
權利要求
用於引導外科輔助儀器、特別是具有內窺鏡(3)的照相機系統(2)的手術輔助系統，所述手術輔助系統包括具有儀器保持件(15)的臂系統(10、12、14)和為了控制臂系統所設置的控制裝置(17)，所述控制裝置連接到與操作元件(BE)相連的計算機系統(CS)上，所述計算機系統構造成用於根據對操作元件(BE)的至少一個功能按鍵(T1 T6)的手動操作來引導外科輔助儀器(3)，其中，至少外科輔助儀器(3)的尖部(3)能夠藉助於臂系統(10、12、14)在笛卡爾病人坐標系(PKS)中受控地運動，並且笛卡爾病人坐標系(PKS)的三個空間軸(x、y、z)中的至少一個延伸通過容納外科輔助儀器(3)的手術開口或穿刺點(T)，其特徵在於，設置有控制及分析程序(SAR)，所述控制及分析程序設計成用於確定外科輔助儀器(3)相對於笛卡爾病人坐標系(PKS)的延伸通過穿刺點(T)的空間軸(z)的傾斜角(w)，以及用於將所確定的傾斜角(w)與規定的設定傾斜角(ws)進行比較，其中，在所確定的傾斜角(w)超過設定傾斜角(ws)時，在一容納尖部(S)的部分球表面(TK)上引導外科輔助儀器(3)的尖部(S)，在所確定的傾斜角(w)低於設定傾斜角(ws)時，沿一延伸通過輔助儀器(3)的尖部(S)的切線(TG)將外科輔助儀器(3)的尖部(S)引導到所述部分球表面(TK)上。
2.根據權利要求1所述的手術輔助系統，其特徵在於，在所確定的傾斜角(w)超過設定 傾斜角(ws)時，在同心地圍繞穿刺點⑴的圓形軌道(KB)上引導外科輔助儀器(3)的尖 部⑶。
3.根據權利要求1或2所述的手術輔助系統，其特徵在於，笛卡爾病人坐標系(PKS)的 零點或原點的坐標(xT、yT、zT)分配給穿刺點(T)。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的手術輔助系統，其特徵在於，為了配準手術輔助 系統(1)，將剛性地設置在臂系統(10,12,14)上的配準鍵(18)導引到穿刺點(T)上，並確 定臂系統(10、12、14)的軸在笛卡爾參考坐標系(BKS)中的坐標(X，Y，Z)。
5.根據權利要求3或4所述的手術輔助系統，其特徵在於，為了計算引導的起始點，確 定臂系統(10、12、14)的各軸在笛卡爾參考坐標系(BKS)中的坐標(X，Y，Ζ)，並據此確定外 科輔助儀器(3)的尖部(S)的實際的笛卡爾坐標(xs，ys, zs)。
6.根據權利要求5所述的手術輔助系統，其特徵在於，根據的外科輔助儀器(3)的尖 部(S)在笛卡爾病人坐標系(PKS)中的笛卡爾坐標(XS，ys, zs)確定外科輔助儀器(3)的 尖部⑶的對應的球坐標(rs，Φs， s)。
7.根據權利要求6所述的手術輔助系統，其特徵在於，通過分析外科輔助儀器(3)的尖 部(S)的至少一個球坐標(rs，Φs， s)確定傾斜角(W)。
8.根據權利要求6或7所述的手術輔助系統，其特徵在於，確定輔助儀器(3)的尖部 (S』 )藉助於手術輔助系統(1)的臂系統(10、12、14)要移動到達的設定位置，所述設定位 置根據所確定的傾斜角(w)位於所述部分球表面(TK)或切線(TG)上。
9.根據權利要求8所述的手術輔助系統，其特徵在於，以被更新的球坐標(Γ』8、Φ』8、 Θ』 s)的形式確定輔助儀器(3)的尖部(S』 )要移動到達的設定位置。
10.根據權利要求9所述的手術輔助系統，其特徵在於，首先將輔助儀器(3)的尖部 (S』 )的被更新的球坐標(r' S、Φ' s、 ' s)換算成病人坐標系(PKS)的被更新的笛卡 爾坐標(χ' s,y' s, ζ' s)，由病人坐標系的被更新的笛卡爾坐標導出控制手術輔助系統 (1)的臂系統(10、12、14)所需的、臂系統(10、12、14)的軸在參考坐標系(BKS)中的被更新的笛卡爾坐標(X'，Y'，Z')。
11.根據前述權利要求中任一項所述的手術輔助系統，其特徵在於，所述手術輔助系統(1)藉助於配準程序(RR)在至少一個穿刺點(T)處配準。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，根據臂系統(10、12、14)的軸的被更新 的笛卡爾坐標(X』，Y』，Z』)確定對應的軸速度設定值(V)。
13.根據前述權利要求中任一項所述的手術輔助系統，其特徵在於，將輔助儀器(3)經 由手術開口這樣導入病人身體(20)中，使得輔助儀器(3)的縱軸(L)延伸通過笛卡爾病人 坐標系(PKS)的零點，並與ζ軸形成傾斜角(W)。
14.根據前述權利要求中任一項所述的手術輔助系統，其特徵在於，藉助於照相機系統(2)產生圖像(B)，在一監視器單元(ME)上顯示所述圖像。
15.根據權利要求11所述的手術輔助系統，其特徵在於，在微創手術之前調節在監視 器單元(ME)上顯示的圖像(B)的圖像水平線，具體地通過照相機系統(2)繞其縱軸(L)的 轉動來調節。
16.根據權利要求12所述的手術輔助系統，其特徵在於，在監視器單元(ME)上顯示的 圖像(B)的圖像水平線在微創手術中保持接近恆定。
17.根據權利要求2至13中任一項所述的手術輔助系統，其特徵在於，通過操作第一 或第二功能按鍵(Tl、T2)在繞ζ軸(ζ)同心延伸的圓形軌道(KB)上向左或向右引導尖部 (S)，並由此引起在監視器單元(ME)上顯示的圖像(B)的向左或向右運動。
18.根據前述權利要求中任一項所述的手術輔助系統，其特徵在於，設定傾斜角(ws) 選擇為在10°至25°之間、優選在15°至20°之間。
全文摘要
本發明涉及一種用於根據操作元件(BE)的至少一個功能按鍵(T1-T6)的手動操作引導外科輔助儀器、特別是具有內窺鏡(3)的照相機系統(2)的手術輔助系統。特別有利的是，確定外科輔助儀器(3)相對於笛卡爾病人坐標系(PKS)的延伸通過穿刺點(T)的空間軸(z)的傾斜角(w)並將所確定的傾斜角(w)與規定的設定傾斜角(ws)進行比較。在所確定的傾斜角(w)超過設定傾斜角(ws)時，在一同心地圍繞穿刺點(T)並容納外科輔助儀器(3)的尖部(S)的部分球表面(TK)上引導外科輔助儀器(3)的尖部(S)，而在所確定的傾斜角(w)低於設定傾斜角(ws)時，沿一延伸通過輔助儀器(3)的尖部(S)並貼合在所述部分球表面(TK)上的切線(TG)引導外科輔助儀器(3)的尖部(S)。
文檔編號B25J9/16GK101980838SQ200980111388
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月20日 優先權日2008年3月28日
發明者J·舍爾, R·蓋格爾 申請人:阿克特梅德有限公司