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DE10034105C1 - Federzugeffektor für die minimalinvasive Chirurgie - Google Patents

Federzugeffektor für die minimalinvasive Chirurgie

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Publication number
DE10034105C1
DE10034105C1 DE2000134105 DE10034105A DE10034105C1 DE 10034105 C1 DE10034105 C1 DE 10034105C1 DE 2000134105 DE2000134105 DE 2000134105 DE 10034105 A DE10034105 A DE 10034105A DE 10034105 C1 DE10034105 C1 DE 10034105C1
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DE
Germany
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spring
spring band
band strips
housing
instrument head
Prior art date
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Application number
DE2000134105
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English (en)
Inventor
Wilhelm-Ernst Hoerl
Hartmut Gutzeit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date
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Abstract

Federzugeffektor für die minimalinvasive Chirurgie, bestehend aus einer ummantelten Schwenkvorrichtung, einem Gehäuse (2) zur Aufnahme eines Verstellmechanismus für die Schwenkbewegung, einem Führungsschaft (3) zwischen Schwenkvorrichtung (4) und Gehäuse (2) sowie einem Instrumentenkopf (5). Aufgabe der Erfindung ist es, einen Federzugeffektor mit einer erhöhten Formstabilität zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst, indem für die Schwenkbewegung zwei Federbandstreifen vom Verstellmechanismus durch den Führungsschaft (3) und die Schwenkvorrichtung (4) zum Instrumentenkopf (5) vorgesehen sind, diese senkrecht zur Schwenkebene sowie parallel zueinander und zu der Symmetrieachse des Federzugeffektors, welche mittig zwischen den Federbandstreifen verläuft, angeordnet sind, mindestens in der Schwenkvorrichtung zwangsgeführt sind und mit dieser die Schwenkbewegung durchführen, wobei die Federbandstreifen und die Schwenkvorrichtung, gegeneinander axial verschiebbar sind, die distalen Federbandstreifenenden im Instrumentenkopf (5) und die proximalen Federbandstreifenenden im Verstellmechanismus fixiert sind, durch welchen die proximalen Enden der Federbandstreifen parallel, jedoch synchron gegenläufig zueinander einstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federzugeffektor für die minimalin­ vasive Chirurgie gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Der Federzugeffektor besteht im wesentlichen aus einer Schwenkvor­ richtung, dessen hintereinandergeschaltete identische Glieder in zwei Federbändern zwangsgeführt sind.
Nimmt man einen minimalinvasiven chirurgischen Eingriff vor, ist für das Einführen der erforderlichen chirurgischen Instrumente in den Patientenkörper zunächst in diesen eine Öffnung zu schaf­ fen und mit einer rohrähnliche Trokarhülse zu sichern. Durch diese Trokarhülse hindurch lässt sich dann ein stabartiges, an seinem distalen Ende mit einem chirurgischen Werkzeug bestücktes Instrument in den Körper einführen, entlang seiner Achse drehen und axial verschieben. Die Elastizität des Gewebes des Patien­ tenkörpers um die Trokarhülse wirkt aus kinematischer Sicht wie ein Kreuzgelenk und ermöglicht es, das Instrument einschließlich der Trokarhülse in beschränktem Maße zu schwenken.
Die Forderung nach noch mehr Beweglichkeit beim Einsatz der chi­ rurgischen Instrumente in der minimalinvasiven Chirurgie führte zur Entwicklung von Instrumenten mit zusätzlichem schwenkbaren Instrumentenschaft. Zentraler Bestandteil bilden dabei spezielle Schwenkvorrichtungen, welche als integraler Bestandteil des In­ strumentenschaftes nahe des Instrumentenkopfes mit Schwenkbewe­ gungen im Patientenkörper die Beweglichkeit erheblich erweitern.
Ein typisches und anspruchsvolles Einsatzgebiet für derartige Schwenkvorrichtungen bieten Endoskope, wo für den Mechanismus der Schwenkvorrichtung geringe Außenabmessungen, gleichzeitig aber ein ausreichend großer zentraler Kanal für die Aufnahme ei­ ner flexiblen Endoskopspitze gefordert wird.
In DE 44 15 057 A1 wird als Schwenkvorrichtung ein Vielgelenkme­ chanismus aus mehreren hintereinander geschalteten gleichartigen Getriebeelementen für medizinische Instrumente beschrieben. Die Getriebeelemente sind miteinander drehbar verbunden und derart gestaltet, dass sie über ineinander angreifende Hebel und Win­ kelhebel eine Schwenkbewegung auf das benachbarte Getriebeele­ ment weiterleiten können. Die Schwenkbewegung folgt dabei der Form eines ebenen Kreisbogens, wobei nur eine Anlenkung des ers­ ten, dem Instrumentengriff zugewandten Getriebeelementes erfor­ derlich ist. Um die zuvor genannten geometrischen Anforderungen an die Schwenkvorrichtung zu erfüllen, wurde für die Herstellung der Getriebeelemente, Hebel und Winkelhebel ein Verfahren der Mikrostrukturierungstechnik, wie z. B. durch das LIGA-Verfahren oder durch das Drahterodieren, eingesetzt.
Dagegen wird in DE 35 04 824 A1 ein Endoskop mit einem Schwenkme­ chanismus beschrieben, bei dem ein Schlauch zur Aufnahme der En­ doskopspitze in mehrere hülsenförmige Gelenkglieder zwangsge­ führt wird. Die Gelenkglieder, welche den Schlauch vollständig umfassen, sind hintereinander angeordnet, miteinander über Schwenkgelenke verbunden und einzeln über Bowdenzüge schwenkbar.
Ein gattungsgemäßer Federzugeffektor ist in DE 44 14 810 C1 be­ kannt. Er enthält eine Schwenkvorrichtung mit mehreren hinter­ einandergereihten Gliedern, umhüllt von einem biegeweichen Schlauch, mit Verstellmechanismus für die Schwenkbewegung der Schwenkvorrichtung auf. Für die Durchführung der Schwenkbewegung sind zwei Federbandstreifen vorgesehen, welche parallel zueinan­ der und zu einer gedachten Symmetrielinie sowie senkrecht zur Schwenkebene in den Gliedern zwangsgeführt sind. Bis auf die Verbindung mit den Federstreifen sind die Glieder untereinander nicht gelenkig verbunden. Die distalen Enden der Federbandstrei­ fen sind am distalen Endbereich festgelegt. Eines der beiden Fe­ derbänder weist eine gekrümmte Vorspannung auf, welche für Schwenkung die Schwenkvorrichtung in eine Richtung ausreicht.
Ein Zurückschwenken erfolgt dann durch Anziehen des anderen Fe­ derbandes der Schwenkvorrichtung gegen diese gekrümmte Vorspan­ nung.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Federzugeffektor mit einer Schwenkvorrichtung der eingangs genannten Art unter Berücksich­ tigung der zuvor genannten geometrischen Anforderungen mit einer gegenüber dem genannten Stand der Technik erheblich erhöhten Formstabilität zu gestalten. Auf diese Weise ließe sich der Ein­ satzbereich der erfindungsgemäßen Schwenkvorrichtung auch auf die Bereiche erweitern, in denen größere Haltekräfte erforder­ lich sind.
Die Aufgabe wird mit der im Anspruch beschriebenen Vorrichtung gelöst.
Der erfindungsgemäße Federzugeffektor wird im folgenden anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die Baugruppen des erfindungsgemäßen Federzugeffektors in der Übersicht,
Fig. 2a bis e verschiedene Auf- und Ansichten eines Gliedes 18 der Schwenkvorrichtung 4 im Detail,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die Schwenkvorrichtung 4,
Fig. 4 eine Aufsicht-Schnittdarstellung des Gehäuses 2 mit der Positioniereinrichtung für die Federzugbänder 11 im Bereich des Drehknopfes 7 bis Anfang der Schwenkvorrichtung 4,
Fig. 5 eine Aufsicht-Schnittdarstellung des Instrumentenkopfes 5 und einen Teil der Schwenkvorrichtung 4 sowie
Fig. 6a bis d vier mögliche Gestaltungsalternativen für das distale Ende der Federstreifen 11 für eine formschlüssige Fi­ xierung dieser im Instrumentenkopf.
Die Baugruppen des erfindungsgemäßen Federzugeffektors in der beschriebenen Ausführungsform sind in Fig. 1 dargestellt. Diese bestehen aus einem Griff 1 als Teil des Gehäuses 2, dem Füh­ rungsschaft 3, an dessen distalen Ende die Schwenkvorrichtung 4, welche mit dem Instrumentenkopf 5 endet, ansetzt. Die Schwenk­ vorrichtung lässt sich in einer Ebene nach beiden Seiten schwen­ ken, was in Fig. 1 durch eine zweite Darstellung 6 einer zweiten Schwenkvorrichtung mit Instrumentenkopf in entgegengesetzter Schwenkrichtung angedeutet ist. Der Drehknopf 7 auf dem Gehäuse 2 dient der kontinuierlichen Einstellung der Schwenkrichtung. Am proximalen Ende des Gehäuses 2 befindet sich eine Buchse 9 für das Einführen eines chirurgischen Instrumentes durch einen Kanal 29 (vgl. Fig. 2 bis 5) im Federzugeffektor zum Instrumentenkopf 5. Fig. 1 zeigt beispielhaft am Instrumentenkopf 5 eine Endos­ kopspitze 10 eines flexiblen Endoskopes als eingeführtes chirur­ gisches Instrument. Ferner sind in Fig. 1 die Symmetrieachse 25 sowie eine Trokarhülse 8 abgebildet, welche in den Patientenkör­ per eingeschoben als Führungshülse des Federzugeffektors dient.
Die prinzipielle Funktionsweise der Schwenkvorrichtung 4 beruht im wesentlichen auf einem in einer Ebene schwenkbaren Vielge­ lenkmechanismus, bestehend aus mehreren gelenkig hintereinander­ geschalteten identischen Gliedern 18 (Fig. 2a bis e), und zwei parallel zueinander und zur Symmetrieachse 25 angeordneten sowie senkrecht zur Schwenkebene aufgestellten, im Führungsschaft 3 und in den Gliedern des der Schwenkvorrichtung zur Instrumenten­ spitze 5 zwangsgeführten Federbandstreifen mit einer hohen axia­ len Steifigkeit. Während die distalen Enden beider Federband­ streifen in der Instrumentenspitze enden und dort in der be­ schriebenen Ausführungsform formschlüssig fixiert sind, können die proximalen Enden der beiden Federbandstreifen im Gehäuse 2 durch Betätigung des Drehknopfes 7 synchron gegeneinander, d. h. mit gleichen Stellwegen axial verschoben werden. Diese synchrone axiale Verschiebbarkeit der beiden proximalen Enden zueinander bewirkt eine relative Längenäderung beider Federbandstreifen, welche im Betrag für beide Federbandstreifen gleich ist und sich nur im Vorzeichen unterscheidet. Sind die beiden Federbandstrei­ fen im Bereich der Schwenkvorrichtung 4 durch die Zwangsführun­ gen beidseitig der Symmetrieachse 25 des Federzugeffektors so geführt, dass ihr Abstand zu der Symmetrieachse 25 in der Schwenkvorrichtung an jeder Stelle stets identisch ist, ruft eine Längenänderung beider Federbandstreifen der zuvor genannten Art eine Schwenkung der Schwenkvorrichtung 4 hervor, wobei sich die Länge der Symmetrieachse 25 nicht ändert. Alternativ zu der formschlüssigen Fixierung der distalen Enden der Federbandstrei­ fen eignen sich auch kraft- und stoffschlüssige sowie aus den genannten kombinierte Verbindungen, beispielsweise geklemmte, geklebte, geschweißte und/oder eingegossene Verbünde.
Eines der identischen, hintereinandergereihten Glieder 18 des Vielgelenkmechanismusses ist in Fig. 2a bis e in verschiedenen Schnittdarstellungen und Ansichten dargestellt. Sie zeigen je ein Glied 18 mit einem zylindrischen Gelenk 26, einer Gelenkauf­ nahme 27 für die Aufnahme des Gelenks des jeweils folgenden Gliedes, den Zwangsführungen 28 für die beiden Federbandstreifen auf den jeweils zu der Symmetrielinie 25 gegenüberliegenden Sei­ ten des Gliedes 18 sowie den zentralen Kanal 29 für die Durch­ leitung von Instrumenten durch die Schwenkvorrichtung 4. Rundun­ gen 30 in den Randbereichen der Zwangsführungen dienen der Re­ duzierung von Kerbwirkungseffekten, d. h. von überhöhten Span­ nungssingularitäten im Federbandstreifen 11 in der Schwenkvor­ richtung während des Schwenkvorganges.
Den Querschnitt durch die Schwenkvorrichtung 4 auf der Höhe ei­ nes der Glieder 18 zwischen dessen Gelenk 26 und dessen Gelenk­ aufnahme 27 zeigt Fig. 3. Die beiden Federstreifen 11 werden da­ bei in den Zwangsführungen 28 des Gliedes 18 geführt und gegen ein seitliches Ausbrechen aus diesen durch dem die Glieder 18 umhüllenden Metallschlauch 19 zusätzlich geführt. Zur Reduzie­ rung der Reibung während der Schwenkbewegung können optional zwischen den Federbandstreifen 11 und Metallschauch 19 oder den Zwangsführungen 28 nicht dargestellte reibungsarme Zwischenele­ mente, beispielsweise Teflon- oder Schmierstoffhaltige Folien eingelegt werden.
Ein besonderer Vorteil der Schwenkvorrichtung des erfindungsge­ mäßen Federzugeffektors liegt in den erzielbaren hohen Halte­ kräften in beiden Richtungen und der hohen Steifigkeit der Schwenkvorrichtung 4 in jeder Schwenkrichtung, welche durch die hohe Steifigkeit von Federbandstreifen 11 und Vielgelenkmecha­ nismus in Kombination mit der Zwangsführung 28 dieser Komponen­ ten zueinander realisiert wird. Dadurch sind auch Einsatzbereiche des Federzugeffektors außerhalb der minimalinvasive Chirur­ gie denkbar. Beispielsweise eignet sich der Federzugeffektor in einer anderen Baugröße prinzipiell auch als Manipulator für Ar­ beiten in ansonsten unzugänglichen Hohlräumen oder für den Transport und die Bergung von Gegenständen und Personen, beispielsweise bei Rettungseinsätzen.
Fig. 4 zeigt im Detail den Mechanismus für die axiale Verschie­ bung der beiden proximalen Enden der beiden Federbandstreifen 11 zueinander, welcher im Gehäuse 2 im Bereich des in der Zeichnung nur gestrichelt dargestellten Drehknopfes 7 angeordnet ist. Die proximalen Enden der beiden Federbandstreifen 11 werden im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel je mit einer geschraubten, d. h. kraftschlüssigen Einspannvorrichtung 12 an axial zu den Feder­ bandstreifen 11 anschließenden und bewegbaren Zahnstangen 13 be­ festigt. Die beiden Zahnstangen 13, welche auf Linearwälzlager 14 parallel zueinander geführt sind, sind über je ein Zahnrad 15 und dem direkt auf diese wirkende Ritzel 16 mit dem Drehknopf 7 verbunden und können über diesen Mechanismus durch Drehen des Drehknopfes parallel zueinander, jedoch synchron in entgegenge­ setzter Richtung positioniert werden.
Die beiden Federbandstreifen 11 werden von dem Gehäuse 2 durch den Führungsschaft 3 in die Schwenkvorrichtung 4 geführt. Als Übergang zwischen Führungsschaft 3 und Schwenkvorrichtung dient dabei eine Hülse 17, welche schwenkvorrichtungsseitig als Ge­ lenkaufnahme 27 für das Gelenk 26 des ersten Glied 18 des schwenkbaren Vielgelenkmechanismus gestaltet ist. Als äußere Hülle und als Schutz der Schwenkvorrichtung 4 dient der flexible Metallschlauch 19, wobei alternativ sich hierzu auch flexible Schläuche aus anderen Materialien, wie z. B. aus Gummi oder Kunststoff, aber auch Manschetten eignen.
Eine Schnittdarstellung des Instrumentenkopfes 5 mit den beiden Federbandstreifen 11 und den angrenzenden Gliedern 18 der Schwenkvorrichtung 4 zeigt Fig. 5. Der fexible Metallschlauch 19 ist hier nur angedeutet. Der Instrumentenkopf besteht aus einer inneren Hülse 20 mit einem Gewinde 21, einer Gelenkhälfte 26 als Übergang einem der Glieder 18 des Vielgelenkmechanismus und zwei um 180° versetzte formschlüssige Aufnahmen 22 für die beiden Fe­ derbandstreifen 11, aus einer Überwurfkappe 23 als Gegenlager der formschlüssigen Befestigung der Federbandstreifen 11 in der Aufnahme 22 sowie einer Überwurfmutter 24. Bei der Montage des Instrumentenkopfes wird die Überwurfkappe 23 über das Gewinde 21 über die Aufnahme geschoben und mit der anschließend aufgesetz­ ten Überwurfmutter 24 gesichert. Als Alternative zu der eintei­ ligen Überwurfhülse 23 bietet sich die Verwendung von zwei Scha­ lenhälften an.
Zur Gestaltung der formschlüssigen Befestigung werden anhand der in Fig. 6a bis d dargestellten distalen Enden der Federband­ streifen 11 beispielhaft vier mögliche Designvorschläge be­ schrieben. Fig. 6a zeigt ein auf das distale Federbandstreifen­ ende aufgeschweißtes Drahtstück 31, welches im eingebauten Zu­ stand durch eine Nut in der inneren Hülse 20 gehalten wird. Fig. 6b zeigt das distale Ende eines Federbandstreifens mit einer Bohrung 32, die im eingebauten Zustand im Instrumentenkopf in einen Pin, Stift oder Haken eingehängt und der Federbandstreifen damit formschlüssig fixiert ist. In Fig. 6c ist ein distales Ende eines Federbandstreifens dargestellt, welches beidseitig seitliche Kerben 33 aufweist, welche von entsprechenden, mit den Komponenten, vorzugsweise mit der inneren Hülse 20, des Instru­ mentenkopfes 5 befestigten Gegenstücken formschlüssig gehalten werden. Schließlich zeigt Fig. 6d ein schwalbenschwanzförmig ge­ staltetes Ende eines Federbandstreifens 11, welches in eine ent­ sprechend ausgeführte keilförmige Nut vorzugsweise in der inne­ ren Hülse 20 eingespannt ist. In jedem Fall muss die formschlüs­ sige Einspannung für den Einsatz des Federzugeffektor spielfrei gestaltet sein.
Um bei chirurgischen Eingriffen die erforderliche Sterilität zu gewährleisten, wird der Federzugeffektor vor jeden Eingriff mit einem sterilen Einwegüberzugsschlauch, welcher beispielsweise als medizinische Siliconschläuche im einschlägigen Handel ange­ boten wird, überzogen. Alternativ oder zusätzlich sind für den Federzugeffektor Materialien zu verwenden, welche für die übli­ chen thermische Sterilisationsverfahren geeignet sind. Dies sind insbesondere Metalle, Keramiken, Glas oder temperaturbeständige Kunststoffe, wohingegen thermoplastische Kunststoffe oder Schmierstoffhaltige Folien oder Bauteile nicht geeignet sind.
Bezugszeichenliste
1
Griff
2
Gehäuse
3
Führungsschaft
4
Schwenkvorrichtung
5
Instrumentenkopf
6
Zweite Darstellung
7
Drehknopf
8
Trokarhülse
9
Buchse
10
Endoskopspitze
11
Federbandstreifen
12
Einspannvorrichtung
13
Zahnstangen
14
Linearwälzlager
15
Zahnrad
16
Ritzel
17
Hülse
18
Glied
19
Metallschlauch
20
Innere Hülse
21
Gewinde
22
Aufnahme
23
Überwurfhülse
24
Überwurfmutter
25
Symmetrieachse
26
Gelenk
27
Gelenkaufnahme
28
Zwangsführung
29
Kanal
30
Rundungen
31
Drahtstück
32
Bohrung
33
Kerbe

Claims (1)

  1. Federzugeffektor für die minimalinvasive Chirurgie, bestehend aus
    • a) einer Schwenkvorrichtung (4) mit mehreren hintereinander­ gereihten, Gliedern (18), umhüllt von einem biegeweichen Schlauch,
    • b) einem Gehäuse (2) mit Griff (1) zur Aufnahme eines ein­ stellbaren Verstellmechanismusses für die Schwenkbewegung der Schwenkvorrichtung (4),
    • c) einem Führungsschaft (3) als verbindendes Element zwischen der Schwenkvorrichtung (4) und dem Gehäuse (2) sowie
    • d) einem Instrumentenkopf (5) als distales Ende des Federzu­ geffektors,
    wobei
    • a) für die Schwenkbewegung zwei Federbandstreifen (11) vom Verstellmechanismus im Gehäuse (2) durch den Führungs­ schaft (3) und die Schwenkvorrichtung (4) zum Instrumen­ tenkopf (5) vorgesehen sind,
    • b) die distalen Enden der beiden Federbandstreifen (11) im Instrumentenkopf (5) mit diesem fest verbunden sind,
    • c) die beiden Federbandstreifen (11) senkrecht zur Schwenk­ ebene sowie parallel zueinander und zu der Symmetrieachse (25) des Federzugeffektors angeordnet sind, mindestens in der Schwenkvorrichtung zwangsgeführt sind und mit dieser die Schwenkbewegung durchführen, wobei die Federbandstrei­ fen (11) und die Schwenkvorrichtung, gegeneinander axial verschiebbar sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    • a) die mehreren hintereinandergereihten Glieder (18) jeweils mit Gelenken miteinander zu einem in einer Ebene schwenk­ baren Vielgelenkmechanismus verbunden sind,
    • b) der einstellbare Verstellmechanismus mit einen Drehknopf (7) für die Einstellung versehen ist,
    • c) die Symmetrieachse (25) genau mittig zwischen den beiden Federbandstreifen (11) entlang verläuft,
    • d) die proximalen Enden der beiden Federbandstreifen (11) im Gehäuse (2) mit dem Verstellmechanismus verbunden sind, durch welchen die proximalen Enden der beiden Federband­ streifen (11) parallel, jedoch synchron gegenläufig zuein­ ander einstellbar sind,
    • e) durch den Federzugeffektor von einer Buchse (9) am proxi­ malen Ende des Gehäuses (2) bis zum distalen Ende des In­ strumentenkopfes (5) entlang der Symmetrielinie (25) ein zentraler Kanal (29) zur Durchführung von flexiblen In­ strumenten angeordnet ist,
    • f) die proximalen Enden der beiden Federbandstreifen (11) im Gehäuse (2) jeweils mit einer Zahnstange fest verbunden sind, welche mit diesen über je ein Zahnrad (15) von einem zentralen Ritzel (16), welches mit den Drehknopf (7) dreh­ bar ist, bewegbar ist,
    • g) die distalen Enden der Federbandstreifen in der Instrumen­ tenspitze (5) durch eine formschlüssige Einspannung fi­ xiert sind, sowie
    • h) der biegeweiche Schlauch ein Metallschlauch (19) ist.
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