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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mensch-Maschine-Schnittstellen-Eingabevorrichtungen
und insbesondere auf Computer-Eingabevorrichtungen zum Simulieren
medizinischer Verfahrensweisen.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Virtuelle-Realität-Rechnersysteme
vermitteln Anwendern die Illusion, sie seien Teil einer "virtuellen" Umgebung. Ein Virtuelle-Realität-System
enthält
typischerweise einen Rechnerprozessor, wie z. B. einen Personalcomputer
oder Arbeitsplatzrechner, spezialisierte Virtuelle-Realität-Software
und Virtuelle-Realität-Ein-Ausgabevorrichtungen,
wie z. B. helmartige Anzeigen, Zeigerhandschuhe, dreidimensionale
("3D") Zeiger und dergleichen.
Virtuelle-Realität-Rechnersysteme
sind zum Training auf vielen Gebieten erfolgreich verwendet worden,
wie z. B. der Luftfahrt sowie dem Fahrzeug- und Systembetrieb. Der
Reiz der Verwendung von Virtuelle-Realität-Rechnersystemen zum Training
bezieht sich zum Teil auf die Fähigkeit
solcher Systeme, Praxisneulingen den Luxus zu ermöglichen,
in einer äußerst realistischen
Umgebung tätig
zu sein und katastrophale Fehler zu machen, ohne Konsequenz für den Auszubildenden,
andere oder Besitztum. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Flug-
oder Fahrschüler
unter Verwendung eines Virtuelle-Realität-Simulators ohne Angst vor Unfällen fliegen
(oder fahren) lernen, die in der realen Welt Tod und/oder Vermögensschaden verursachen
würden.
In ähnlicher
Weise können
Bedienpersonen von komplexen Systemen, z. B. Atomkraftwerken und
Waffensystemen, eine große
Vielfalt von Übungsszenarien
sicher üben,
die Leben oder Besitztum in Gefahr bringen würden, wenn sie in der Realität durchgeführt würden.
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Die
Vorteile der Simulation sind auf medizinischem Gebiet nicht unbemerkt
geblieben, das zunehmend mit den Kosten falscher Behandlung und ineffizienter
Pflegebehandlung zu tun hat. Beispielsweise kann es ein Virtuelle-Realität-Rechnersystem einem
Arzt in Ausbildung oder anderen Operateur oder Anwender ermöglichen,
ein Skalpell oder eine Sonde in einem rechnersimulierten "Körper" zu "manipulieren", und dadurch medizinische
Prozeduren an einem virtuellen Patienten durchzuführen. In
diesem Fall wird eine Ein-Ausgabevorrichtung, die typischerweise
ein 3D-Zeiger, stiftartiges Gerät
(Stylus) oder dergleichen ist, in Vertretung für ein chirurgisches Instrument,
wie z. B. ein Skalpell oder eine Sonde, verwendet. Wenn sich das "Skalpell" oder die "Sonde" in dem Körper bewegt,
wird auf dem Bildschirm des Rechnersystems eine Abbildung angezeigt,
und die Ergebnisse der Zeigerbewegungen werden aktualisiert und
angezeigt, so dass die Bedienperson die Erfahrung zur Durchführung einer
solchen Prozedur gewinnen kann, ohne an einem lebenden Menschen
oder einem Leichnam zu üben.
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Damit
Virtuelle-Realität-Systeme
eine realistische (und daher nutzbare) Erfahrung für den Anwender
bereitstellen, sollten die sensorische Rückmeldung und der manuelle
Eingriff möglichst
natürlich
sein. Da Virtuelle-Realität-Systeme
leistungsfähiger
werden und die Anzahl potentieller Anwendungen steigt, besteht ein
wachsender Bedarf für
besondere Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtungen, die es Anwendern
erlauben, die Verbindung mit Rechnersimulationen mit Werkzeugen
aufzunehmen, welche die in der virtuellen Simulation dargestellten
Aktivitäten
realistisch emulieren. Solche Vorgehensweisen, wie laparoskopische
Chirurgie, Katheterinsertion und Epiduralanalgesie, sollten mit
geeigneten Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtungen realistisch
simuliert werden, wenn der Arzt richtig ausgebildet werden soll.
Ein derartiges System ist in der US-A-4,907,973 offenbart, die die
oberbegrifflichen Merkmale des Anspruchs 1 zeigt.
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Zwar
stellt der Stand der Technik bei der virtuellen Simulation und medizinischen
Abbildung eine reiche und realistische visuelle Rückkopplung
bereit, doch es besteht ein großer
Bedarf an neuartigen Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeugen, die
es Anwendern erlauben, natürliche
manuelle Eingriffe mit der Rechnersimulation durchzuführen. Bei
der medizinischen Simulation besteht ein starker Bedarf dafür, Ärzten eine
realistische Technik zur Durchführung
der mit medizinischen Verfahrensweisen verbundenen manuellen Aktivitäten zur
Verfügung
zu stellen und gleichzeitig einem Rechner die exakte Verfolgung
ihrer Handlungen zu ermöglichen.
Neben der Verfolgung der manuellen Tätigkeit eines Anwenders und
Füttern
des Steuerungsrechners mit dieser Information, um dem Anwender eine
visuelle 3D-Darstellung zur Verfügung
zu stellen, sollte eine Mensch-Schnittstellentechnik
auch eine Kraftrückkopplung
an den Anwender bereitstellen, so dass der Anwender auch realistische
tastbare Informationen erhalten kann. So wirkt eine nutzbare Mensch-Schnittstelle
nicht nur als Eingabevorrichtung für die Nachführbewegung, sondern auch als Ausgabevorrichtung
zur Erzeugung realistisch tastbarer (haptischer) Empfindungen.
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Es
gibt sehr viele Vorrichtungen, die im Handel erhältlich sind, um einen Menschen
mit einem Rechner für
Virtuelle-Realität-Simulationen
zu verbinden. Es gibt beispielsweise zweidimensionale Eingabevorrichtungen,
wie z. B. Mäuse,
Rollkugeln und Digitalisierungstabletts. Zweidimensionale Eingabevorrichtungen
neigen jedoch bei der Aufgabe der Verbindung mit dreidimensionalen
Virtuelle-Realität-Simulationen
zu Schwerfälligkeit
und Unzulänglichkeit. Dagegen
ermöglicht
ein dreidimensionales Mensch-Maschine- Schnittstellenwerkzeug, das unter dem
Warenzeichen Immersion PROBETM verkauft wird
und von der Immersion Human Interface Corporation, Palo Alto, Kalifornien,
zum Verkauf angeboten wird, eine manuelle Steuerung in dreidimensionalen Virtuelle-Realität-Rechnerumgebungen.
Ein schreibstiftartiger Stylus gestattet eine gewandte dreidimensionale
Handhabung, und die Stellung und Ausrichtung des Stylus werden an
einen Host-Computer übertragen.
PROBE von Immersion weist sechs Freiheitsgrade auf, die Raumkoordinaten
(x, y, z) und Ausrichtung (Verdrehen, Neigen, Gieren) des Stylus an
den Host-Computer übermitteln.
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Obwohl
PROBE von Immersion ein ausgezeichnetes dreidimensionales Schnittstellenwerkzeug
ist, kann das Gerät
für bestimmte
Virtuelle-Realität-Simulationsanwendungen
ungeeignet sein. Beispielsweise sind bei einigen der oben erwähnten medizinischen
Simulationen drei oder vier Freiheitsgrade für ein dreidimensionales Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeug
ausreichend und oft wünschenswerter
als fünf
oder sechs Freiheitsgrade, weil dies die Beschränkungen des wirklichen Lebens
bei der tatsächlichen
medizinischen Verfahrensweise exakter nachahmt.
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Die
Anwendung der Virtuelle-Realität-Simulation
auf die Bedienung von Kathetern und anderen flexiblen langgestreckten
Gegenständen
erfordert oft nur zwei, drei oder vier Freiheitsgrade. Insbesondere sind
Katheter in einer größtenteils
zweidimensionalen Umgebung in Betrieb, die durch den Kanal geschaffen
wird, in den der Katheter eingesetzt wird, z. B. eine Vene oder
Arterie. Die Kräfte,
denen ein Katheter unterliegt, sind im Vergleich zu anderem medizinischen
Gerät oft
vereinfacht und bestehen hauptsächlich
aus Widerstandskräften.
Daher ist für
bestimmte Anwendungen eine weniger komplexe Virtuelle-Realität-Vorrichtung
wünschenswert.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verbindung (oder
ein Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeug)
mit besonders guter Eignung für
Simulationen bereit, die zwischen zwei und vier Freiheitsgrade und
insbesondere zwei Freiheitsgrade erfordern, wie z. B. für Katheterbetriebssimulationen.
So wird erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung eine weniger
komplexe, kompaktere, leichtgewichtigere, trägheitsärmere und preiswertere Alternative
zu einem Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeug mit sechs Freiheitsgraden
bereitstellt als bisher verfügbar.
Insbesondere schließt
die vorliegende Erfindung ein Mittel zur Bereitstellung einer äußerst realistischen
Kraftrückkopplung
an einen Anwender bereit, um die Arten von Tastempfindungen zu erzeugen,
die mit dem Katheterbetrieb verbunden sind.
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In
einer Ausführungsform
schließt
die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verbindung der Bewegung
eines zur fortschreitenden Bewegung und Drehung geeigneten langgestreckten
flexiblen Gegenstands mit einem elektrischen System ein, wobei die
Vorrichtung (a) einen Objektaufnahmeteil und (b) einen Rotationswandler
einschließt,
der mit dem Objektaufnahmeteil verbunden ist, wobei der Rotationswandler
geeignet ist, eine Rotationsbewegung des langgestreckten flexiblen
Gegenstands zu bestimmen und dadurch eine elektromechanische Schnittstelle
zwischen dem langgestreckten flexiblen Gegenstand und einem elektrischen
System bereitstellt, wobei der Rotationswandler eine Scheibe mit
einer Öffnung
umfasst, die so bemessen ist, dass sie den langgestreckten flexiblen
Gegenstand aufnimmt. Die Scheibe ist mit einer Hohlwelle verbunden,
die so bemessen ist, dass sie den Gegenstand in Zusammensetzung
aufnehmen kann. Die Hohlwelle weist zumindest eine Biegung auf.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
ist eine, in der das elektrische System ein digitales elektrisches
System ist.
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Die
Welle kann ferner zumindest zwei weitgehend parallele Abschnitte
aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schließt die Hohlwelle
zwei weitgehend gegensinnig orientierte Biegungen und drei weitgehend
parallele Abschnitte ein. In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform
schließt
die Vorrichtung der Erfindung ein Betätigungselement zur Zusammensetzung
mit dem langgestreckten flexiblen Gegenstand und einen mit dem Objektaufnahmeteil
verbundenen Translationswandler ein, der zur Bestimmung der fortschreitenden
Bewegung des langgestreckten flexiblen Gegenstands geeignet ist.
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In
einer bevorzugten alternativen Ausführungsform sind ein zweites
Betätigungselement
und ein zweiter Wandler mit dem Objektaufnahmeteil verbunden und
zwischen dem Betätigungselement
und dem Translationswandler und dem Rotationswandler angeordnet.
In noch einer anderen alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung
der Erfindung an einer Kardanvorrichtung inklusive Untersatz und
einem Kardanmechanismus mit einer Basis montiert, wobei ein erster
Teil der Basis drehbar auf dem Untersatz montiert ist und ein zweiter
Teil der Basis drehbar an dem Objektaufnahmeteil montiert ist. Ferner
sind ein Betätigungselement
sowie ein Translations- und ein Rotationswandler mit dem Objektaufnahmeteil
verbunden. Der Rotationswandler schließt eine Scheibe mit einer Öffnung ein,
die so bemessen ist, dass sie den langgestreckten flexiblen Gegenstand
aufnehmen kann. Die Scheibe ist mit einer Hohlwelle verbunden, die
so bemessen ist, dass sie den Gegenstand in Zusammensetzung aufnehmen
kann. Die Hohlwelle weist zumindest eine Biegung auf.
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Gemäß noch einem
anderen Aspekt schließt die
vorliegende Erfindung ein: eine Mensch-Maschine-Schnittstelle mit einem Wellenaufnahmeteil;
eine langgestreckte flexible Welle, die mit dem Wellenaufnahmeteil
zusammengesetzt ist, der einen Griffbereich aufweist, den die Bedienperson
greifen kann; einen ersten Messfühler
zum Erfassen der fortschreitenden Bewegung der Welle; und einen
zweiten Messfühler
zum Erfassen der Rotationsbewegung der Welle, wobei der zweite Messfühler eine
Scheibe mit einer Öffnung
einschließt,
die so bemessen ist, dass sie den langgestreckten flexiblen Gegenstand aufnehmen
kann. Die Scheibe ist mit einer Hohlwelle verbunden, die so bemessen
ist, dass sie den Gegenstand in Zusammensetzung aufnehmen kann. Die
Hohlwelle weist zumindest eine Biegung auf.
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Diese
und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann
beim Lesen der folgenden Beschreibungen der Erfindung und Studium
der einzelnen Figuren der Zeichnungen erkennbar werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Darstellung eines
Computer/Mensch-Schnittstellensystems.
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2, 2A und 2B sind
Darstellungen einer Vorrichtung zur Verbindung der Bewegung eines
zur fortschreitenden Bewegung und Drehung geeigneten flexiblen langgestreckten
Gegenstands mit einem Rechnersystem.
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2 stellt eine Vorrichtung
zur Verbindung der Bewegung eines flexiblen langgestreckten Gegenstands
dar, die einen Rotations- und einen Translationswandler einschließt.
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2A ist eine Darstellung
eines Betätigungselementes
zur Zusammensetzung mit einem flexiblen langgestreckten Gegenstand.
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2B ist eine Darstellung
einer Vorrichtung zum Bestimmen der fortschreitenden Bewegung eines
flexiblen langgestreckten Gegenstands.
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3A und 3B stellen eine Hohlwelle dar, die zum
Bestimmen der Drehung eines flexiblen langgestreckten Gegenstands
verwendet wird.
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3A stellt eine Seitenansicht
der Welle dar, die eine Höhensenkung "D" einschließt.
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3B ist ein Querschnitt von 3A entlang der Linie 3B-3B.
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4A und 4B stellen eine zweite Anordnung einer
Welle dar, die zur Bestimmung der Drehung eines flexiblen langgestreckten
Gegenstands verwendet wird.
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4A stellt eine Seitenansicht
der Welle mit einer Biegung mit der Tiefe "D" dar.
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4B ist eine Darstellung
eines Querschnitts entlang der Linie 4B-4B, wenn die Welle um 360° gedreht
wird.
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5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F und 5G stellen Drehbewegungssensoren
in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung dar.
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5A stellt eine Ausführungsform
eines Rotationsmessfühlers
der Erfindung dar, der eine mit einer Scheibe verbundene Welle einschließt.
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5B stellt einen zweiten
Rotationsmessfühler
dar, der eine Scheibe mit einer Öffnung
einschließt,
die so bemessen ist, dass sie in Zusammensetzung eine Welle aufnehmen
kann.
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5C stellt eine andere Rotationsmessfühlerausführung dar,
in der eine Scheibe einen Keil einschließt, der so bemessen ist, dass
er eine Welle mit einer Abflachung aufnehmen kann.
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5D stellt einen Rotationsmessfühler dar, der
fest mit einer Welle verbunden ist.
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5E, 5F und 5G stellen
jeweils eine Ausführungsform
der Erfindung dar, in denen die Drehung einer Welle unter Verwendung
eines optischen Codeumsetzers bestimmt wird.
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6 ist eine Darstellung von
zwei Vorrichtungen der Erfindung, die in Tandemmanier angeordnet
sind.
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7 ist eine Darstellung einer
Vorrichtung der Erfindung, die an einem Kardanmechanismus montiert
ist.
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Beste Arten
zur Ausführung
der Erindung
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In 1 ist ein Virtuelle-Realität-System 100 gezeigt,
das zur Simulierung einer medizinischen Verfahrensweise verwendet
wird und eine Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung 102, eine
elektronische Schnittstelle 104 und einen Computer 106 einschließt. Das
dargestellte Virtuelle-Realität-System 100 ist
auf eine Virtuelle-Realität-Simulation eines
Katheterbetriebs gerichtet. Die Software der Simulation ist nicht
Teil dieser Erfindung und wird daher nicht im Einzelnen diskutiert.
Solche Software ist jedoch im Handel erhältlich. Geeignete Software-Treiber,
die solche Simulationssoftware mit Rechner-Ein-Ausgabe-(I/O)-Vorrichtungen verbinden, sind
ebenfalls im Handel erhältlich,
z. B. von der Immersion Human Interface Corporation, Palo Alto,
Kalifornien, USA.
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Ein
in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendeter Katheter 108 wird
von einer Bedienperson gehandhabt, und als Reaktion auf solche Manipulationen
werden Virtuelle-Realität-Abbildungen
auf einem Bildschirm 110 des digitalen Verarbeitungssystems
angezeigt. Das digitale Verarbeitungssystem ist vorzugsweise ein
Personalcomputer oder Arbeitsplatzrechner, wie z. B. ein IBM-PC
AT oder Macintosh Personalcomputer oder ein SUN oder Silicon Graphics
Arbeitsplatzrechner. Ganz allgemein ist das digitale Verarbeitungssystem
ein Personalcomputer, der unter dem Betriebssystem MS-DOS in Übereinstimmung
mit einem IBM-PC-AT-Standard arbeitet.
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Neben
einem Standard-Katheter 108 schließt die Mensch/Schnittstellenvorrichtung 102 eine
Trennwand 112 und eine "Zentralleitung" 114 ein,
durch die der Katheter in den Körper
eingesetzt wird. Die Trennwand 112 wird dazu verwendet,
einen Teil der Haut darzustellen, die den Körper eines Patienten einhüllt. Vorzugsweise
ist die Trennwand 112 aus einer Gliederpuppe oder anderen
lebensechten Wiedergabe eines Körpers
oder Körperteils
gebildet, z. B. dem Rumpf, Arm oder Bein. Die Zentralleitung 114 wird
in den Körper
des Patienten eingesetzt, um einen Zugangs- und Entfernungspunkt
für den
Katheter 108 am Körper
des Patienten bereitzustellen und das Hantieren mit dem distalen
Teil des Katheters innerhalb des Körpers des Patienten zu gestatten
und gleichzeitig eine Gewebeschädigung
zu minimieren. Der Katheter 108 und die Zentralleitung 114 sind
von Lieferanten wie z. B. Target Therapeutics, Fremont, Kalifornien,
USA und U.S. Surgical, Connecticut, USA im Handel erhältlich.
Vorzugsweise wird der Katheter 108 so modifiziert, dass
das Ende des Instrumentes (wie z. B. irgendwelche Schnittkanten)
entfernt wird und nur der Halter und die Welle übrig bleiben. Das Ende des
Katheterinstrumentes 108 wird für die Virtuelle-Realität-Simulation nicht
benötigt
und entfernt, um einen möglichen
Personen- oder Sachschaden zu verhindern.
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Der
Katheter 108 schließt
einen Halter oder "Griff"-Teil 116 und
einen Wellenteil 118 ein. Der Griffteil kann jede herkömmliche
Vorrichtung sein, die zur Handhabung des Katheters verwendet wird,
oder der Griff kann aus dem Wellenteil selbst bestehen. Der Wellenteil
ist ein flexibler langgestreckter Gegenstand und insbesondere ein
langgestreckter zylindrischer Gegenstand. Die vorliegende Erfindung
befasst sich mit der Verfolgung der Bewegung des Wellenteils 118
im dreidimensionalen Raum, wobei die Bewegung so eingeschränkt ist,
dass der Wellenteil 118 nur zwei, drei oder vier Bewegungsgrade
aufweist. Dies ist insofern eine gute Simulation der typischen Verwendung
eines Katheters 108, als der Katheter sofort nach Einsetzen
in einen Patienten auf etwa zwei Freiheitsgrade begrenzt wird. Insbesondere
ist die Welle 118 an irgendeiner Stelle entlang ihrer Länge so eingeschränkt, dass
sie sich mit zwei Freiheitsgraden im Körper des Patienten bewegen
kann.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf den Wellenteil 118 des
Katheterinstrumentes 108 diskutiert wird, wird erkannt
werden, dass eine große Anzahl
von anderen Arten von Objekten mit dem Verfahren und der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Tatsächlich kann
die vorliegende Erfindung mit jedem langgestreckten mechanischen
Gegenstand verwendet werden, wo die Bereitstellung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle
mit drei oder vier Freiheitsgraden wünschenswert ist. Solche Gegenstände können u.
a. Katheter, Injektionskanülen,
Drähte,
faseroptische Bündel, Schraubenzieher,
Sammelabläufe
etc. sein. Obwohl die beschriebene bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines langgestreckten
zylindrischen mechanischen Gegenstands betrachtet, stellen andere
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung des Weiteren eine ähnliche Mensch-Maschine-Schnittstelle
für langgestreckte
mechanische Gegenstände
bereit, deren Gestalt nicht zylindrisch ist.
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Die
elektronische Schnittstelle 104 ist Teil der Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung 102 und schließt die Vorrichtung 102 an
den Computer 106 an. Insbesondere wird die Schnittstelle 104 in
bevorzugten Ausführungsformen
dazu verwendet, die verschiedenen in der Vorrichtung 102 enthaltenen
Betätigungselemente
und Messfühler
(welche Betätigungselemente
und Messfühler
nachstehend im Einzelnen beschrieben sind) an den Computer 106 anzuschließen. Eine
elektronische Schnittstelle 104, die für die vorliegende Erfindung
besonders gut geeignet ist, ist in der US-Patentanmeldung Nr. 08/092,974, eingereicht
am 16. Juli 1993 mit dem Titel "3-D
Mechanical Moose" beschrieben,
die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen und
in ihrer Gesamtheit durch Querverweis hierin aufgenommen ist. Die
darin beschriebene elektronische Schnittstelle wurde für die mechanische 3D-Maus
PROBETM von Immersion konzipiert und weist
sechs Kanäle
entsprechend den sechs Freiheitsgraden der PROBE von Immersion auf.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung erfordert die elektronische
Schnittstelle 104 jedoch nur die Verwendung von zwei, drei
oder vier der sechs Kanäle,
da die vorliegende Erfindung vorzugsweise auf nicht mehr als zwei,
drei oder vier Freiheitsgrade eingeschränkt ist.
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Die
elektronische Schnittstelle 104 ist durch ein Kabel 122 mit
einer Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung 120 der
Vorrichtung 102 verbunden und durch ein Kabel 124 mit
dem Computer 106 verbunden. In einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 104 lediglich als
Eingabevorrichtung für
den Computer 106. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung dient die Schnittstelle 104 lediglich als Ausgabevorrichtung
für den
Computer 106. In wieder anderen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung dient die Schnittstelle 104 als Ein-Ausgabe-(I/O)-Vorrichtung
für den
Computer 106.
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Die
Vorrichtung 120 ist in 2 bei 200 in größerer Einzelheit
gezeigt. Die Vorrichtung 200 schließt einen Objektaufnahmeteil 202 ein,
in den ein flexibler langgestreckter Gegenstand 204, wie
z. B. ein Katheter, durch eine Öffnung 205 eingeführt ist. Der
flexible langgestreckte Gegenstand 204 durchquert das Innere
des Objektaufnahmeteils 202, und das Innere dieses Aufnahmeteils
schließt
einen oder mehr elektromechanische Wandler ein, die mit dem Objektaufnahmeteil
verbunden sind und mit dem flexiblen langgestreckten Gegenstand
verbunden sind, wie z. B. ein Betätigungselement 206 und
ein Translationswandler 208. Der flexible langgestreckte
Gegenstand 204 tritt durch eine zweite Öffnung 209 aus dem
Objektaufnahmeteil 202 aus, woraufhin der flexible langgestreckte
Gegenstand einen Rotationswandler 210 durchquert, wobei
der Rotationswandler drehbar mit dem Objektaufnahmeteil verbunden
ist.
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Der
Objektaufnahmeteil 202 ist vorzugsweise aus einem einstückigen Materialblock
gefertigt, der aus Aluminium oder einem anderen leichtgewichtigen
Werkstoff hergestellt ist, wie z. B. ein Kunststoff, der vorzugsweise
gegossen, geformt und/oder als Vollblockelement bearbeitet wird
und das oben erwähnte
Betätigungselement,
den Translationswandler und Rotationswandler aufweist. Der Objektaufnahmeteil
kann auch ein Gehäuse
sein, mit dem verschiedene Betätigungselemente,
Wandler und Messfühler
verbunden sind.
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Die
Ausdrücke "verbunden mit", "bezogen auf" oder dergleichen
sollen andeuten, dass der elektromechanische Wandler von einem der
Freiheitsgrade des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 beeinflusst
wird oder diesen beeinflusst. Die elektromechanischen Wandler können Eingabewandler sein,
wobei sie die Bewegung entlang einem jeweiligen Freiheitsgrad erfassen
und ein dementsprechendes elektrisches Signal zur Eingabe in den
Computer 106 erzeugen. Alternativ können die elektromechanischen
Wandler Ausgabewandler sein, die elektrische Signale von dem Computer 106 empfangen,
die bewirken, dass die Wandler in Übereinstimmung mit ihren jeweiligen
Freiheitsgraden eine Kraft an den Gegenstand anlegen. Die elektromechanischen
Wandler können
auch Gabelwandler oder zweiseitig wirkende Wandler sein, die sowohl
als Messfühler
als auch als Betätigungsvorrichtungen
wirken.
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Eine
Vielfalt von ohne Schwierigkeit auf dem Handelsmarkt verfügbaren Wandlern
ist zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Wenn die
Wandler beispielsweise Eingabewandler ("Messfühler") sind, können solche Messfühler u.
a. Wandler mit codiertem Rad, Potentiometer, optische Codeumsetzer
etc. sein. Ausgabewandler ("Betätigungselemente") sind u. a. Schrittmotoren,
Servomotoren, Magnetpulverbremsen, Reibungsbremsen, pneumatische
Betätigungselemente
etc. Gabelwandler oder zweiseitig wirkende Wandler verbinden Eingabe-
und Ausgabewandler oft zu einem Paar, können aber auch einen rein zweiseitig
wirkenden Wandler wie z. B. einen Permanentmagnet-Elektromotor/Generator einschließen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung sowohl Absolut-
als auch Relativsensoren verwenden kann. Ein Absolutsensor ist einer,
bei dem der Winkel des Messfühlers
bei der Absolutberechnung bekannt ist, wie z. B. bei einem analogen
Potentiometer. Relativsensoren liefern nur relative Winkelinformationen
und erfordern daher eine gewisse Form von Kalibrierungsschritt,
der eine Bezugsposition für
die relative Winkelinformation liefert. Die hierin beschriebenen
Messfühler
sind in erster Linie Relativsensoren. Folglich gibt es nach der
Systemanschaltung einen einbezogenen Kalibrierungsschritt, in dem
die Welle an einer bekannten Position in dem Kardanmechanismus platziert
wird und ein Kalibrierungssignal an das System geliefert wird, um die
oben erwähnte
Bezugsposition bereitzustellen. Alle von den Messfühlern gelieferten
Winkel beziehen sich danach auf diese Bezugsposition. Derartige Kalibrierungsverfahren
sind dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt und werden daher hierin
nicht in großer
Einzelheit diskutiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Betätigungselement 206 ein
Solenoid, das einen Basis/Messfühlerteil 212 umfasst,
mit dem durch eine Achswelle 216 eine untere Schnittstelle 214 verbunden
ist. Der untere Schnittstellenteil 214 rückt den flexiblen
langgestreckten Gegenstand 204 durch Ausüben einer
Kraft in einer Richtung weitgehend lotrecht zur Richtung der fortschreitenden
Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 gegen
einen oberen Schnittstellenteil 218 ein, wobei die Richtung
durch den linearen zweiseitigen Pfeil angedeutet ist, um dadurch
eine Reibungskraft entlang der Fortschreitungsbewegungsrichtung
des Gegenstands 204 zu erzeugen. Derartige Solenoide sind
im Handel z. B. von Guardian Electric (Woodstock, IL, USA) verfügbar. Es
wird erkannt werden, dass andere Betätigungsvorrichtungen in der
Erfindung verwendet werden können,
z. B. Magnetpulverbremsen wie jene, die z. B. von Force Ltd. (Santa
Monica, CA, USA) im Handel verfügbar
sind. Außerdem
kann das Betätigungselement 206 auch
eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung sein, die eine Kraft
an den flexiblen langgestreckten Gegenstand 204 anlegt.
Vom Fachmann auf diesem Gebiet wird erkannt werden, dass die Wahl
eines elektromechanischen, elektromagnetischen, pneumatischen oder
hydraulischen Betätigungselementes
zum Teil von der Reaktionszeit, den Kosten und der Komplexität der Vorrichtung
abhängt.
Vorzugsweise weist das Betätigungselement
eine Reaktionszeit, die für
realistische Simulationen geeignet ist (d. h. eine schnelle Reaktionszeit),
niedrige Kosten und eine geringe Komplexität auf. Elektromechanische/elektromagnetische Wandler
werden bevorzugt, da sie typischerweise eine schnelle Reaktionszeit
und niedrige Kosten haben, kleiner und einfacher sind als hydraulische
und pneumatische Vorrichtungen, die dieselbe oder eine ähnliche
Funktion erfüllen.
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2A stellt bei 238 eine
bevorzugte Solenoid-Ausführungsform
dar. Das Solenoid 238 schließt einen Basis/Messfühlerteil 240 ein,
der durch eine Hubspindel 244 mit einer unteren Schnittstelle 242 verbunden
ist. Die untere Schnittstelle 242 umfasst eine Plattform 246,
die mit der Spindel 244 verbunden ist und auf der eine
optionale Dämpfungsauflage 248 und
eine Bremsauflage 250 verankert sind. Die Dämpfungsauflage 248 umfasst
einen Stoff, der wirksam als Stoßdämpfer einsetzbar ist, wie z.
B. Gummi, und ist optional. Die Bremsauflage 250 umfasst
einen Stoff, der beim Anhalten oder Verlangsamen der fortschreitenden
Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 wirksam
ist, wenn die untere Schnittstelle 242 den flexiblen langgestreckten
Gegenstand 204 gegen eine obere Schnittstelle 252 einrückt. Die
geeigneten Materialien für den
optionalen Stoßdämpfer und
die Bremsauflage werden für
den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein. Die obere Schnittstelle 252 schließt eine
feste Unterlage 254 ein, die mit dem Objektaufnahmeteil
oder Basis/Messfühler 240 verbunden
sein kann. An die feste Unterlage 254 schließt sich
eine zweite Dämpfungsauflage 256 und
eine zweite Bremsauflage 258 an, die beide aus denselben
Materialien bestehen wie die Dämpfungsauflage 248 und
die Bremsauflage 250.
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Unter
Rückbezug
auf 2 schließt der Translationswandler 208 in
einer bevorzugten Ausführungsform
ein Rad 220 ein, das an einer mit einem Messfühler 224 verbundenen
Achse 246 montiert ist, wobei der Messfühler durch eine Basis 226 mit
dem Objektaufnahmeteil 202 verbunden ist. Der Translationswandler 208 ist
dazu geeignet, die fortschreitende Bewegung des flexiblen langgestreckten
Gegenstands 204 zu bestimmen, indem er die Positionen des
flexiblen langgestreckten Gegenstands entlang dessen Fortschreitungsbewegungsrichtung
erfasst und den Positionen entsprechende elektrische Signale erzeugt,
wie in 2B dargestellt.
Das Rad 220 greift mit Normalkraft (Pfeil nach unten) an
dem flexiblen langgestreckten Gegenstand 204 an, so dass die
fortschreitende Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 (angedeutet
durch den geradlinigen Zweirichtungspfeil) eine Drehung des Spindelendes 244 (angedeutet
durch den gebogenen Zweirichtungspfeil) bewirkt, was ein elektrisches Signal
von dem Messfühler 224 (nicht
gezeigt) erzeugt, das von der Schnittstelle 104 (ebenfalls
nicht gezeigt) aufgezeichnet wird. Es wird erkannt werden, dass
der Translationswandler 208 auch ein Ausgabewandler (Betätigungselement)
sein und eine Reibungsbremskraft an den langgestreckten Gegenstand 204 anlegen
könnte,
um solche Effekte wie Widerstand zu simulieren, die der Katheter
beim Durchqueren verschiedener Gefäße in dem Körper erfährt. Solche Wandler sind auf
dem Fachgebiet hinlänglich bekannt
und im Handel verfügbar.
Ein bevorzugter Wandler auf dem Markt ist ein optischer Codeumsetzer,
Modell SI, von U.S. Digital, Vancouver, Washington, USA. Dieser
Wandler ist ein Eingabewandler des Typs mit codiertem Rad. Ein bevorzugter
Ausgabewandler zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung ist
ein Gleichstrommotor, Modell 2434.970-50, hergestellt von Maxon,
Fall River, Massachusetts, USA. Dieser Wandlertyp ist ein Servomotor-Ausgabewandler.
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Unter
Rückbezug
auf 2 ist der Rotationswandler 210 drehbar
mit dem Objektaufnahmeteil 202 verbunden, um die Rotationsbewegung
des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 zu bestimmen.
Der Rotationswandler 210 schließt eine Scheibe 228 ein,
die mit einer Hohlwelle 232 verbunden ist. Vorzugsweise
sind die Scheibe und die Hohlwelle so angebracht, z. B. durch Kleben
oder Schrumpfsitzpassung, dass sie eine weitgehend einstückige Vorrichtung
bereitstellen. Die Scheibe 228 schließt eine Öffnung ein (nicht gezeigt),
die so bemessen ist, dass sie den flexiblen langgestreckten Gegenstand
aufnimmt, und die Hohlwelle ist so bemessen, dass sie den flexiblen
langgestreckten Gegenstand in Zusammensetzung aufnehmen kann, so
dass die Scheibe 228 weitgehend der Spur der Rotationsbewegung des
flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 folgt und dennoch
eine minimale Translationsreibung bereitstellt. Wenn sich die Scheibe
in Reaktion auf die Rotationsbewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands
dreht, wird die Drehung der Scheibe von einem Messfühler 230 erfasst,
wie nachstehend noch in größerer Einzelheit
beschrieben wird.
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Die
Hohlwelle 232 ist in 3A in
größerer Einzelheit
dargestellt, die unter 300 eine weggeschnittene Ansicht
des langgestreckten Gegenstands und der Hohlwelle darstellt. Eine
Hohlwelle 302 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die
Hohlwelle ist so bemessen, dass sie einen langgestreckten Gegenstand 304 in
Zusammensetzung mit einem Spalt 306 zwischen der Hohlwelle 302 und dem
flexiblen langgestreckten Gegenstand 304 aufnimmt, der
ausreicht, um eine fortschreitende Bewegung des flexiblen langgestreckten
Gegenstands ohne wesentliche störende
Beeinflussung seitens der Innenfläche der Hohlwelle zu erlauben
und dennoch klein genug ist, dass sich die Hohlwelle weitgehend
kontinuierlich mit dem flexiblen langgestreckten Gegenstand dreht.
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Der
Spalt 306 ist ferner in 3B dargestellt, einer
Ausschnittansicht entlang der Linie 3B-3B von 3A, wo die Größe des Spaltes mit "d" bezeichnet ist. Im Allgemeinen ist
d so gewählt,
dass die Hohlwelle und der flexible langgestreckte Gegenstand eine
enge Eingriffspassung aufweisen. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser
der Hohlwelle zwischen ca. 120% und ca. 150% des Durchmessers des
flexiblen langgestreckten Gegenstands, d. h. die Größe des Spaltes
beträgt
zwischen ca. 20% und ca. 50% des Durchmessers des flexiblen langgestreckten
Gegenstands. Wo der flexible langgestreckte Gegenstand einen Durchmesser
von ca. 0,5 mm aufweist, liegen bevorzugte Werte für d beispielsweise
zwischen ca. 0,025 mm und ca. 0,25 mm und noch besser zwischen ca.
0,08 mm und ca. 0,15 mm. Die Hohlwelle kann ferner Substanzen zur
Erhöhung oder
Herabsetzung der Reibung zwischen der Innenwand der Hohlwelle und
der Oberfläche
des flexiblen langgestreckten Gegenstands einschließen. Solche Substanzen
sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt.
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Unter
Rückbezug
auf 3A schließt die Hohlwelle 302 ferner
zumindest eine Biegung ein, wie z. B. diejenige, die allgemein bei 308 gezeigt
ist, wo zwei weitgehend gegensinnig orientierte Biegungen dargestellt
sind. In bevorzugten Ausführungsformen
sind in der Hohlwelle zwei Biegungen enthalten. Vorzugsweise sind
die Abschnitte der Hohlwelle auf jeder Seite der Biegungen) weitgehend
parallel. Die Biegungen) dient (dienen) dazu, der Hohlwelle und Scheibe 228 zu
gestatten, der Spur der Rotationsbewegung des flexiblen langgestreckten
Gegenstands zu folgen und dabei der Fortschreitungsbewegung des
flexiblen langgestreckten Gegenstands wenig Widerstand zu bieten.
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Die
Tiefe der Biegung ist mit "D" bezeichnet. Im Allgemeinen
ist D so gewählt,
dass die Hohlwelle und der flexible langgestreckte Gegenstand die
gewünschten
Rotationsgleichlauf- und
Translationsmerkmale aufweisen. Es wurde herausgefunden, dass bevorzugte
Werte für
D von mehreren Faktoren abhängen,
darunter die Steifheit des langgestreckten Gegenstands und die Sitzdichte
zwischen der Hohlwelle und dem flexiblen langgestreckten Gegenstand.
Steifere langgestreckte Gegenstände
erfordern typischerweise einen kleineren Wert D, um die erwünschten
Drehungs- und Translationseigenschaften für einen gegebenen Spalt d zu
erreichen, als flexiblere Gegenstände mit demselben Wert d. Bei d-Werten
zwischen ca. 0,05 und 0,25 mm liegt D beispielsweise vorzugsweise
jeweils zwischen ca. 1,3 und ca. 5 mm.
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4A stellt bei 400 eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
der Hohlwelle dar, wobei eine einfache Biegung 402 in einer
Hohlwelle 404 platziert ist und die Hohlwelle einen flexiblen
langgestreckten Gegenstand 406 und einen Spalt 408 einschließt, um die
Hohlwelle in zwei weitgehend parallele Abschnitte zu teilen. 4B stellt eine Ausschnittansicht
entlang der Linie 4B-4B der 4A dar,
wenn die Hohlwelle und der flexible langgestreckte Gegenstand um 360° gedreht
werden.
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5A stellt bei 500 eine
bevorzugte Ausführungsform
des Rotationswandlers 210 gemäß 2 dar. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt der Rotationswandler 500 eine
Scheibe 502 ein, die zur Drehung durch eine Hohlwelle 506 und
einen flexiblen langgestreckten Gegenstand 508 drehbar
mit einem Objektaufnahmeteil 504 verbunden ist. Die Scheibe
ist vorzugsweise aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial hergestellt
und nahe ihrem Umfang mit einer Anzahl von dunklen Radialstreifen 510 versehen,
beispielsweise durch Druck oder Siebdruck. Auf gegenüberliegenden
Seiten der Scheibe 502 sind ein Photodetektorpaar 512 mit
einer Lichtquelle 512a und einem Detektor 512b in
Ausrichtung mit den Streifen 510 positioniert. Wenn sich
die Scheibe 502 um eine Achse A dreht, lassen die Streifen 510 abwechselnd
von der Lichtquelle 512a ausstrahlendes Licht auf dem Detektor 512b auftreffen oder
nicht. Die durch ein Kabel 514 mit dem Photodetektor 512 verbundene
elektronische Schnittstelle 104 zählt die Streifen 510 beim
Passieren des Photodetektors 512b und liefert auf dem Kabel 122 ein
Signal an den Computer 106, das die Drehstellung der Hohlwelle 506 und
des flexiblen langgestreckten Gegenstands 508 um die Achse
A angibt. Zur Bestimmung der Drehrichtung kann der Photodetektor
auch als zwei Paare von Photodetektoren vorgesehen sein, wie dem
Fachmann für
Messfühlergestaltung hinlänglich bekannt
ist und in der ebenfalls anhängigen
US-Patentanmeldung Nr. 08/275,120 beschrieben ist.
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5B stellt unter 518 eine
alternative Ausführungsform
des Rotationswandlers dar, wobei eine Scheibe 520 der Spur
der Drehung einer Welle 522 folgt, die sich in Zusammensetzung
durch eine Öffnung 524 in
der Scheibe 520 erstreckt. Der Eingriff zwischen der Welle 522 und
der Scheibenöffnung 524 wird
vorzugsweise durch die Bildung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen
der Scheibenöffnung
und der Welle erreicht, wie in größerer Einzelheit in der ebenfalls
anhängigen
US-Patentanmeldung Nr. 08/275,120 beschrieben. 5C stellt unter 530 eine zweite
alternative Ausführungsform
dar, wobei eine Scheibe 532 mit einer Welle 534 zusammengesetzt
ist, die eine Anflächung 535 einschließt, wobei
die Welle durch eine Keilnut 536 hindurch verläuft, die
so bemessen ist, dass sie in Aufnahmeeingriff mit der Welle 534 und
der Anflächung 535 gehen kann.
Diese Ausführungsform
ist ebenfalls in der US-Patentanmeldung Nr. 08/275,120 diskutiert.
Beide Scheiben 520 und 532 weisen nahe ihrem Umfang
dunkle Radialstreifen auf, die in Verbindung mit einem Photodetektor
wie oben beschrieben zu verwenden sind.
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In
noch einer anderen alternativen bevorzugten Ausführungsform, die in 5D unter 540 gezeigt
ist, umfasst der Rotationswandler eine Scheibe 542, die
eine Hülse 544 einschließt, die
so bemessen ist, dass sie einen Endteil 548 einer Welle 546 aufnehmen
und festhalten kann. Die Hülse
ist drehbar mit einem Lager 550 verbunden, und das Lager
ist mit einer Wand des Objektaufnahmeteils verbunden. Die Scheibe 542 ist
nahe ihrem Umfang vorzugsweise mit einer Anzahl dunkler Radialstreifen
versehen, z. B. durch Druck oder Siebdruck, zur Verwendung mit einem
optischen Rotationsdetektor, wie soeben beschrieben. Es wird jedoch
erkannt werden, dass diese Ausführungsform
keine fortschreitende Bewegung der Welle 546 durch die
Scheibe 542 hindurch gestattet.
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Zwei
zusätzliche
alternative Ausführungsformen
werden im Hinblick auf 5E, 5F und 5G beschrieben. 5E zeigt unter 560 eine Ausführungsform,
worin ein Objektaufnahmeteil 562, der ein Betätigungselement
einschließt,
und ein bei 563 allgemein gezeigter und wie oben im Hinblick
auf 2 beschriebener
Translationswandler eine Welle 564 kontaktieren, die fest
mit einem ortsfesten rotierenden Messfühler 566 zusammengesetzt
ist, wobei der Messfühler
einen optischen Codeumsetzer 568 umfasst, der durch eine
Anschlussleitung 570 mit der Schnittstelle 104 verbunden
ist. Eine Drehbewegung am Ende der Welle 564 (siehe Pfeil)
wird von dem optischen Codeumsetzer erfasst, der Signale an die Schnittstelle
zur Analyse durch den Computer 106 überträgt. Die Fortschreitungsbewegung
wird auch ausgeglichen, wie in 5F dargestellt.
Dort verursacht die fortschreitende Bewegung des Drahts in Richtung
des optischen Codeumsetzers eine Verbiegung des Drahts, wie durch
den erhabenen Abschnitt der Biegung 572 dargestellt. Die
fortschreitende Bewegung von der Codiereinrichtung weg bringt den Draht
wieder in einen weitgehend straffen, weitgehend gestreckten Zustand,
wie durch die gestrichelte Linie dargestellt. Die Fortschreitungsbewegung
in jeder Richtung wird erfasst, wie oben beschrieben. Optische Codeumsetzer
und ihre Schnittstellenverbindung mit Rechnervorrichtungen sind
dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt.
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5G stellt unter 580 eine
alternative Ausführungsform
dar, wobei der Objektaufnahmeteil 582, der eine Welle 564 fest
aufnimmt, seitlich von einem optischen Codeumsetzer 586 positioniert
ist, um dadurch eine Biegung in der Welle 584 zu erzeugen, wie
bei 588 angedeutet. Die Drehbewegung am von der Körpermitte
entfernten Ende der Welle wird am optischen Codeumsetzer erfasst,
während
die fortschreitende Bewegung erfasst wird, wie oben beschrieben.
Die fortschreitende Bewegung der Welle in Richtung des optischen
Codeumsetzers wird durch die Längsstreckung
der Biegung der Welle aus der gezeigten Position bei 588 (durchgezogene
Linie) zu 590 (gestrichelte Linie) ausgeglichen. Wieder
ist die Verwendung optischer Codeumsetzer dem Fachmann auf diesem
Gebiet bekannt.
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In
einigen Anwendungsformen wird es vorzuziehen sein, zwei Vorrichtungen
der Erfindung hintereinander zu schalten. Bei einem "epiduralen" Verfahren führt der
Arzt oder Fachmann beispielsweise zuerst eine große Hohlnadel
in den Patienten ein, und durch diese Nadel hindurch wird ein Katheter eingesetzt.
So erfordert die Simulation eines epiduralen Verfahrens die unabhängige Simulierung
der Reaktionen in Verbindung mit dem Einführen der Nadel und der Reaktionen
in Verbindung mit dem Einsetzen des Katheters.
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Eine
bevorzugte Tandemanordnung zum Simulieren eines Verfahrens, wie
z. B. ein epidurales Verfahren, ist in 6 unter 600 gezeigt. Ein erster und
ein zweiter Objektaufnahmeteil 602 bzw. 604 sind
in benachbarter Anordnung platziert, wie durch die gestrichelten
Linien angedeutet, und weitgehend identisch mit dem oben im Hinblick
auf 2 beschriebenen
Objektaufnahmeteil 202. Beide Objektaufnahmeteile 602 und 604 sind
zur Aufnahme einer "epiduralen" Vorrichtung 606 geeignet,
und diese Vorrichtung schließt
eine außen
liegende Welle 608 und einen flexiblen langgestreckten
Gegenstand 610 ein, wobei der Gegenstand mit einer externen
Steuerung verbunden sein kann, wie z. B. einem Halter 612.
In dem Objektaufnahmeteil 602 ist vorzugsweise ein Betätigungselement 614 enthalten,
und dieses Betätigungselement
schließt
neben einem oberen Schnittstellenteil 622, der mit einem
Untersatz 624 verbunden ist, eine/n Basis/Messfühler 616,
einen unteren Schnittstellenteil 618 und eine Welle 620 ein. Der
Objektaufnahmeteil 602 schließt vorzugsweise auch einen
Translationswandler 626 ein, und dieser Wandler schließt ein Rad 628 und
einen Messfühler 630 ein.
Auf ähnliche
Weise schließt
der Objektaufnahmeteil 604 vorzugsweise ein Betätigungselement 632 ein,
und dieses Betätigungselement
schließt
neben einem oberen Schnittstellenteil 640, der mit einem
Untersatz 642 verbunden ist, eine/n Basis/Messfühler 634,
einen unteren Schnittstellenteil 636 und eine Welle 638 ein.
Der Objektaufnahmeteil 604 schließt vorzugsweise auch einen
Translationswandler 644 ein, und dieser Wandler schließt ein Rad 646 und
einen Messfühler 648 ein.
Die Betätigungselemente
und Wandler und ihre jeweiligen Komponenten sind alle weitgehend
identisch mit den oben im Hinblick auf 2 beschriebenen.
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Der
Objektaufnahmeteil 604 ist ferner drehbar mit einem Rotationswandler 650 verbunden,
und dieser Wandler schließt
eine Scheibe 652 und einen Messfühler 654 ein. Die
Scheibe 652 ist mit einer Hohlwelle 656 verbunden,
die so bemessen ist, dass sie den flexiblen langgestreckten Gegenstand 610 in Zusammensetzung
aufnehmen kann. Der Rotationswandler 650 sowie die Scheibe 652,
der Messfühler 654 und
die Hohlwelle 656 sind weitgehend identisch mit den oben
im Hinblick auf 5A diskutierten
analogen Komponenten. Es wird erkannt werden, dass die oben im Hinblick
auf 5B–5G diskutierten alternativen
Ausführungsformen
des Drehbewegungssensors ebenso verwendet werden können.
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Neben
der in 6 gezeigten Anordnung
ist eine zweite bevorzugte Anordnung, die nicht gezeigt ist, eine,
bei der entweder das Betätigungselement 614 oder
der Wandler 626 weggelassen ist. Es wird auch erkannt werden,
dass die Betätigungselemente und
Wandler in einem einzigen Objektaufnahmeteil kombiniert sein können.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist der Objektaufnahmeteil Teil einer Kardanvorrichtung, wie in 7 unter 700 gezeigt.
In der perspektivischen Ansicht gemäß 7 ist die Kardanvorrichtung 700 genauer
dargestellt. Die Kardanvorrichtung 700 schließt vorzugsweise
einen Objektaufnahmeteil 702, einen U-förmigen Basisteil 704 und
einen Untersatz 706 ein. Der U-förmige Basisteil ist drehbar mit
dem Untersatz verbunden und schließt eine Basis 708 und
ein Paar weitgehend parallele Wangen 710a und 710b ein,
die sich davon nach oben erstrecken und zur Drehung um eine Achse
A, geeignet sind. So, wie es hierin verwendet wird, bedeutet "weitgehend parallel", dass zwei Gegenstände oder
Achsen genau oder fast parallel sind, d. h. die Parallelität der Wangen
liegt zumindest innerhalb von 5–10° und vorzugsweise
innerhalb von weniger als 1° Parallelität. Auf ähnliche
Weise bedeutet der Ausdruck "weitgehend
lotrecht", dass
zwei Gegenstände
oder Achsen genau oder fast lotrecht sind, d. h. die Lotrechte der Wangen
liegt zumindest innerhalb von 5–10° und noch
besser innerhalb von weniger als 1° Lotrechte.
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Der
langgestreckte flexible Objektaufnahmeteil 702 ist mit
einem Objekteinlassteil 712 versehen, und dieser Objekteinlassteil
schließt
eine Öffnung 714 ein,
die sich ganz durch den Objektaufnahmeteil hindurch erstreckt. Die Öffnung 714 definiert
eine Objektachse A0 für einen flexiblen langgestreckten
Gegenstand, wie z. B. den Wellenteil 118 des Katheters 108 gemäß 1. Der Objekteinlassteil 712 ist
zumindest teilweise zwischen den Wangen 710a und 710b des
U-förmigen
Basisteils angeordnet und drehbar daran gelagert, z. B. durch ein
Paar Drehzapfen, von denen einer als Drehzapfen 716a in
der Wange 710a gezeigt ist, und dieser Drehzapfen liegt auf
einer Achse A2. Ein weiterer Drehzapfen 716b (nicht
gezeigt) ist in der Wange 710b vorgesehen. Die Achsen A1 und A2 sind weitgehend
beiderseits lotrecht und schneiden sich an einem Nullpunkt O innerhalb
des Objekteinlassteils 712. Die Achse A0 schneidet
diesen Nullpunkt O ebenfalls und ist weitgehend lotrecht zu den
Achsen A1und A2.
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Der
Objektaufnahmeteil 702 schließt auch eine Betätigungselement-Schnittstelle 718 und
eine Translationsschnittstelle 719 ein. In einigen bevorzugten
Ausführungsformen
können
eine zweite Betätigungselement-Schnittstelle 720 und
eine zweite Translationsschnittstelle 721 enthalten sein,
wie gezeigt. Der Objektaufnahmeteil 702 schließt einen
Lagerabschnitt 722, einen Betätigungselementabschnitt 724,
einen Translationssensorabschnitt 725 und ggf. einen zweiten
Betätigungselementabschnitt 726 sowie
einen Translationsabschnitt 727 ein, wie gezeigt. Der Objektaufnahmeteil
schließt
auch einen Drehbewegungssensor-Abschnitt 728 ein.
Der Lagerabschnitt 722 schließt eine Werkstoffmasse ein,
die mit einer zylindrischen Bohrung 730 versehen ist, die einen
Teil der Öffnung 714 bildet.
Der Betätigungselementsensor-Abschnitt 724 schließt ein Paar
gegenüberliegende
Wandflächen 732a und 732b ein,
die jeweils mit einer zylindrischen Bohrung versehen sind, die aufnahmefähig für den zylindrischen
Gegenstand sind und einen Teil der Öffnung 714 bilden, die
sich durch den Objektaufnahmeteil hindurch erstreckt. Der Translationssensorabschnitt 725 schließt ein Paar
gegenüberliegende
Wandflächen 734a und 734b einer
Wand ein, und diese sind mit zylindrischen Bohrungen versehen, die
aufnahmefähig
für den
flexiblen langgestreckten Gegenstand sind und daher auch einen Teil
der Öffnung 714 bilden.
Der optionale zweite Betätigungselementsensor-Abschnitt 726 und
Translationsabschnitt 727 schließen gegenüberliegende Verblendungswände 738a und 738b bzw. 740a und 740b ein,
und diese Wände
sind analog zu den Wänden
des gerade beschriebenen Betätigungselementsensor-Abschnitts 724 und
Translationssensorabschnitts 725. Wenn ein flexibler langgestreckter
Gegenstand entlang der Achse A0 in den Objekteinlassteil 712 eingeführt wird,
nimmt er folglich die Bohrung 730 des Lagerabschnitts 722 in
Anspruch und erstreckt sich durch die in den Flächen 732a, 732b, 734a und 734b (und
ggf. den Flächen 738a, 738b, 740a und 740b)
vorgesehenen Bohrungen, so dass er sich entlang der Öffnung 714 vollständig durch
den Objektaufnahmeteil 702 hindurch erstreckt. In einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind Wände 735, 746 und 742 (und
daher ihre zugehörigen
Wandflächen)
entweder einzeln oder in Kombination als überflüssig ausgelassen.
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Der
Objektaufnahmeteil 702 ist vorzugsweise ein einstückiger Materialblock,
hergestellt aus Aluminium oder irgendeinem anderen leichtgewichtigen Material,
wie z. B. ein Kunststoff, der vorzugsweise gegossen, geformt und/oder
als Vollblockelement bearbeitet wird und den oben erwähnten Lagerabschnitt,
Translationsmessfühler-Abschnitt
und Rotationsmessfühler-Abschnitte aufweist.
Materialien und Aufbau des U-förmigen
Basisteils 704 passen vorzugsweise mit den zur Herstellung
des Objektaufnahmeteils 702 verwendeten Materialien und
Herstellungstechniken zusammen.
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Die
in 7 dargestellte Kardanvorrichtung 700 beschränkt einen
Gegenstand, der mit dem Objektaufnahmeteil 702 zusammengesetzt
ist, auf vier Freiheitsgrade. Dies wird dadurch erreicht, dass zugelassen
wird, dass sich der U-förmige
Basisteil 704 um eine Achse A1 zum
Untersatz 706 dreht, dass sich der Objektaufnahmeteil 702 um
eine Achse A2 zum U-förmigen Basisteil 704 dreht,
dass sich der Gegenstand parallel entlang der Achse A0 der Öffnung 714 verschiebt,
wie durch den zweiseitigen Pfeil "t" dargestellt,
und dass der Gegenstand sich um die Achse A0 der Öffnung 714 dreht,
wie durch den Pfeil "r" angedeutet.
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Abhängig davon,
ob ein oder zwei Betätigungselement/Translationssensorpaare
verwendet werden, werden gerade einmal vier und immerhin sechs elektromechanische
Betätigungselemente
und Wandler in Verbindung mit diesen vier Freiheitsgraden verwendet.
Insbesondere ist ein elektromechanischer Wandler 744 für den ersten
Freiheitsgrad zwischen den U-förmigen
Basisteil 708 und den Untersatz 706 geschaltet,
ist ein elektromechanischer Wandler 746 für den zweiten
Freiheitsgrad zwischen die Wange 710a des U-förmigen Basisteils 708 und den
Objekteinlassteil 712 geschaltet, ist ein elektromechanisches
Betätigungselement 748 für den dritten
Freiheitsgrad einschließlich
einer unteren Schnittstelle 750 und einer oberen Schnittstelle 752 zwischen
den Objektaufnahmeteil 702 und einen mit dem Objektaufnahmeteil 702 zusammengesetzten Gegenstand
geschaltet, ist ferner ein elektromechanisches Wandlerrad 754 plus
Messfühler 756 für den dritten
Freiheitsgrad zwischen den Objektaufnahmeteil 702 und einen
mit dem Objektaufnahmeteil 702 zusammengesetzten Gegenstand
geschaltet. Gegebenenfalls können
ein zweites Betätigungselement 758 für den dritten
Freiheitsgrad einschließlich
einer oberen und einer unteren Schnittstelle 760 bzw. 762 und
ein zweites Wandlerrad 764 plus Messfühler 766 für den dritten
Freiheitsgrad angeschlossen sein, wie soeben für das Betätigungselement 748 und
den Translationswandler 756 beschrieben. Ein Wandler 768 für den vierten
Freiheitsgrad einschließlich
einer Scheibe 770, einer Hohlwelle 772 und eines
Messfühlers 774,
wie oben beschrieben, ist zwischen dem Objektaufnahmeteil 702 und
einem mit dem Objektaufnahmeteil 702 zusammengesetzten
Gegenstand eingesetzt.
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Es
gibt eine Reihe von Arten zur Anbringung der Betätigungselemente und Wandler
an den verschiedenen Elementen der Kardanvorrichtung 700. In
dieser bevorzugten Ausführungsform
ist ein Gehäuse
des Wandlers 744 an dem U-förmigen Basisteil 704 angebracht,
und eine Welle des Wandlers erstreckt sich durch eine übergroße Bohrung
(nicht gezeigt) in der Basis 708 hindurch und greift in
eine Passsitz-Bohrung (ebenfalls nicht gezeigt) im Untersatz 706 ein.
Daher bewirkt die Drehung des U-förmigen Basisteils 704 um
die Achse A1 dann eine Drehung einer Welle
des Wandlers 744. Ein Gehäuse des Wandlers 746 ist
an der Wange 710a des U-förmigen Basisteils 704 angebracht,
so dass seine Welle den Drehzapfen 716a bildet. Daher bewirkt
die Drehung des Objektaufnahmeteils 702 um die Achse A2 dann eine Drehung der Welle eines zweiten
Wandlers 746. Der Betätigungselement-Messfühler 748 ist an
einer Wand des Betätigungselementabschnitts 724 angebracht,
und eine Welle des Betätigungselementes
erstreckt sich durch eine Bohrung in der Wand, um die untere Schnittstelle 750 mit
dem Betätigungselement-Messfühler zu
verbinden. Die obere Schnittstelle 752 ist fest an einer
Wand des Betätigungselementabschnitts 748 angebracht.
Der Wandler 756 ist am Objektaufnahmeteil 702 angebracht und
erstreckt sich durch eine Bohrung (nicht gezeigt) in einer Wand 776 des
Translationssensorabschnitts 725. Die Achswelle des Rads 754 stellt
die Achse für die
Translationsschnittstelle 719 bereit und dreht sich mit
der Drehung der Translationsschnittstelle 719. Der optionale
Betätigungselementabschnitt 726 und Translationsabschnitt 727 sind
analog ausgeführt. Die
Scheibe 770 ist drehbar mit einer Wand 778 des Drehbewegungssensor-Abschnitts 768 verbunden und
erstreckt sich durch eine Bohrung 780 in der Wand 778.
An der Wand 778 ist ein Photodetektor 774 angebracht
und greift an einer Umfangsfläche der
Scheibe 770 an, um deren Drehung zu erfassen.
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Mit
Bezug auf alle Figuren und mit besonderem Bezug auf 1 und 7 ist
die Welle 118 eines Katheters 108 entlang der
Achse A0 in die Öffnung 714 eingesetzt
und bewirkt eine kraftschlüssige
Verbindung der Welle 118 mit der Betätigungselement-Schnittstelle 718 und
der Translationsschnittstelle (Rad) 719. In diesem Fall
ist die weitertragende Schnittstelle 719 ein Friktionsrad
aus einem gummiartigen Material. Die Welle 118 ist ferner
mit der Rotationsschnittstelle 768 in Eingriff und erstreckt
sich durch die Hohlwelle 772. Eine Drehung der Welle 118 um
die Achse A0, wie durch den Pfeil "r" dargestellt, bewirkt eine Drehung der
Scheibe 770, die auf dem Messfühler 774 registriert
wird. Eine fortschreitende Bewegung der Welle 118 entlang
der Achse A0 wird jedoch durch die Hohlwelle 772 oder
Scheibe 770 nicht spürbar
beeinflusst, sondern bewirkt eine Drehung des Friktionsrads 754,
das die Welle des Wandlers 756 dreht. Eine Bewegung des
Katheters 108 nach oben oder unten verursacht eine Drehung
der Welle (Drehzapfen) 716a des Wandlers 746,
und ein Hin- und
Herschwenken des Katheters 108 verursacht eine Drehbewegung
um die Achse A1, die vom Wandler 744 erfasst
wird.
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In
einer Ausführungsform,
in der der Katheter 108 ein "epidurales" Instrument ist, werden die Translations-
und Rotationsbewegungen des Katheters verfolgt, wie soeben beschrieben,
nur dass jetzt der Translationsabschnitt 727 und der Betätigungselementabschnitt 726 verwendet
werden. Die fortschreitende Bewegung der "Nadel" wird dabei vom Translationsabschnitt 725 und
Betätigungselement 724 abgewickelt,
wie oben für
den Fall beschrieben, wo ein Katheter durch die Öffnung 714 eingesetzt
wird.
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Bis
hierher erfolgte der überwiegende
Teil der Erörterung
unter der Annahme, dass die Wandler Eingabewandler sind, d. h. dass
die Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung als Eingabevorrichtung für den Computer 106 verwendet
wird. Es ist jedoch auch erwähnt
worden, dass die Schnittstellenvorrichtung 102 als Ausgabevorrichtung
für den
Computer 106 dienen kann. In der Verwendung als Ausgabevorrichtung
werden Ausgabewandler ("Betätigungselemente") zum Ansprechen
auf elektrische Signale verwendet, die vom Computer 106 entwickelt
werden, um eine Kraft an die Welle 118 des Katheters 108 anzulegen.
Dies kann eine nützliche
Rückkopplung
von Bewegung und Kraft (haptische Rückkopplung) an den Arzt/Auszubildenden
oder anderen Anwender bereitstellen. Wenn der Katheter beispielsweise
auf ein stark verstopftes Gefäß in dem "virtuellen" Patienten trifft,
kann vom Betätigungselement 748 eine
Kraft generiert werden, die es dem Arzt/Auszubildenden schwerer
macht, die Welle 118 weiter in die Kardanvorrichtung 700 hineinzuschieben.
Ebenso können
Verdrehbewegungen an die Welle 118 angelegt werden, wenn
die Welle in dem virtuellen Patienten auf ein Hindernis trifft.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass eine an die Welle angelegte Kraft nicht
zu einer Bewegung der Welle führen
muss. Dies ist deshalb so, weil die Welle durch die Hand der Bedienperson,
die einen Halter oder Griffteil der Welle festhält, an der Bewegung gehindert
werden kann. Die an die Welle angelegte Kraft kann jedoch von der
Bedienperson als haptische Rückmeldung
wahrgenommen werden.
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Mit
Bezug auf 7 schließt ein Verfahren zur
mechanischen Verbindung eines langgestreckten mechanischen Gegenstands
mit einem elektrischen System in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung einen ersten Schritt des Definierens eines Anfangspunktes
im dreidimensionalen Raum ein. Dies entspricht dem Nullpunkt O am
Schnittpunkt der Achsen A1 und A2. Ein zweiter Schritt besteht darin, einen
langgestreckten Gegenstand im dreidimensionalen Raum körperlich
so zu beschränken,
dass ein Teil des Gegenstands immer den Nullpunkt O schneidet und
ein Teil des vom Nullpunkt O ausgehenden Gegenstands einen Radius
in einem Kugelkoordinatensystem definiert. Der langgestreckte Gegenstand (wie
z. B. die Welle 118 des Katheters 108) ist in
einem dreidimensionalen Raum durch die Öffnung 714 des Objektaufnahmeteils 702 körperlich
eingeschränkt.
Der Teil der Welle 118, der vom Nullpunkt O ausgeht, definiert
den Radius. Ein dritter Schritt schließt die Umformung eines ersten
elektrischen Signals bezogen auf eine erste Winkelkoordinate des Radius
mit einem ersten Wandler ein. Dies entspricht dem Betrieb des Wandlers 744,
der ein erstes elektrisches Signal bezogen auf eine erste Winkelkoordinate
des Radius umformt. Ein vierter Schritt ist die Umformung eines
zweiten elektrischen Signals bezogen auf eine zweite Winkelkoordinate
des Radius. Dies entspricht dem Betrieb des Wandlers 746,
der ein zweites elektrisches Signal umformt. Ein fünfter Schritt
besteht darin, ein drittes elektrisches Signal bezogen auf die Länge des
Radius umzuformen, was dem Betrieb der Wandler 756 und/oder 762 entspricht.
Ein sechster und letzter Schritt besteht darin, die Wandler mit
einem elektrischen System elektrisch zu verbinden, was in diesem
Fall vorzugsweise ein Computer 106 ist. Ein zusätzlicher
Schritt formt ein viertes elektrisches Signal bezogen auf eine Drehung des
Gegenstands um eine Objektachse um, die den Nullpunkt O schneidet.
Dieser Schritt entspricht dem Betrieb des Rotationswandlers 768.
Die Wandler können
Eingabewandler, Ausgabewandler oder zweiseitig wirkende Wandler
sein.
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Es
wird bemerkt werden, dass das in der vorliegende Erfindung am häufigsten
beschriebene elektrische System ein digitales Verarbeitungssystem
oder ein Computer ist. Jedoch können auch
andere digitale Systeme, analoge Systeme und einfache elektrische
oder elektromechanische Systeme mit der Vorrichtung und dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Es
wird auch bemerkt werden, dass zwar besondere Beispiele für "langgestreckte Gegenstände" und "Wellen" gegeben worden sind,
diese Beispiele aber nicht einschränkend gemeint sind. Ganz allgemein
schließen Äquivalente "langgestreckter Gegenstände", "langgestreckter zylindrischer
Gegenstände", "Wellen" und dergleichen
jedes beliebige Objekt ein, das ein Operateur fassen kann, um eine
Schnittstelle zwischen der Bedienperson und einem Rechnersystem
bereitzustellen. Mit "fassen" ist gemeint, dass
Bedienpersonen irgendwie eine lösbare
Verbindung mit einem Griffteil des Gegenstands eingehen können, wie
z. B. mit der Hand, den Fingerspitzen oder im Fall von Behinderten
sogar mit dem Mund. Der "Griff" kann ein an einem
langgestreckten Teil des Gegenstands angebrachter Steuergriff oder
Halter sein, oder der Griff kann ein Teil des Gegenstands selbst
sein (d. h. der Welle, des Drahts oder Katheters), wie z. B. ein
Teil der Länge
einer Welle, den die Bedienperson fassen und/oder handhaben kann.
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Es
sei auch darauf hingewiesen, dass flexible Wellen, wie z. B. Drähte oder
Katheter, nicht immer drei oder vier Freiheitsgrade benötigen. Falls
beispielsweise eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für ein Virtuelle-Realität-System
zum Einsetzen von Kathetern erwünscht
ist, kann auch nur eine Translationsschnittstelle und eine Rotationsschnittstelle
erforderlich sein, wie z. B. in 2 dargestellt.
Dies ist deshalb so, weil ein Katheter bei einem virtuellen Patienten
hinein- und herausgeschoben (wie durch die Translationsschnittstelle 725 erfasst)
und verdreht oder gedreht werden kann (wie durch die Rotationsschnittstelle 768 erfasst),
aber wegen der auf den Katheter einwirkenden Umgebungsbeschränkungen
in der Praxis nicht nach oben oder unten oder von einer Seite zur
anderen bewegt werden kann. Bei solchen Anwendungen ist es daher
wünschenswert,
eine Mensch-Maschine-Schnittstelle mit nur zwei Freiheitsgraden
zu haben. In manchen Fällen
ist es jedoch vorzuziehen, zwei Extra-Freiheitsgrade zuzulassen, wie sie z.
B. durch die Kardanvorrichtung 700 bereitgestellt werden,
um einen Winkel in drei Dimensionen festzulegen und dadurch ein
schwierigeres und realistischeres Szenario für den Operierenden/Auszubildenden
zu schaffen.