WO2002043030A2 - Device for simulating a rod-shaped surgical instrument with a back-coupling of forces - Google Patents

Device for simulating a rod-shaped surgical instrument with a back-coupling of forces Download PDF

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WO2002043030A2
WO2002043030A2 PCT/CH2001/000684 CH0100684W WO0243030A2 WO 2002043030 A2 WO2002043030 A2 WO 2002043030A2 CH 0100684 W CH0100684 W CH 0100684W WO 0243030 A2 WO0243030 A2 WO 0243030A2
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virtual
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    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
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    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
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Definitions

  • the invention relates to a device for simulating a rod-shaped virtual surgical instrument, in particular for simulating an endoscopic instrument, with a stationary frame, with a handle of the instrument, with at least two drive blocks for force feedback, with a virtual trocar and with at least one force sensor, the handle being connected to the frame via the virtual trocar, the drive blocks and the force sensor.
  • the force sensor is not arranged in an area that lies above the abdominal wall of a simulated patient in the simulation and would thus impair the simulation of the area around the trocar to be inserted through the abdominal wall.
  • the senor requires a certain volume at a location where the simulated instrument is located. This is less significant if it is a simulation of a single instrument, in which the endoscopic camera is also completely virtual and cannot be manipulated by the surgeon. In the preferred case that multiple instruments, e.g. A total of three plus a camera are inserted in the simulated abdominal cavity, the sensor according to the prior art does not allow the tips of the instruments to come close, since this is made impossible by the space occupied by the force sensors. In the simulation of the instruments, however, the surgeon expects that the pliers, cutting edges and scissor tips of different instruments can approach each other at the smallest distances and that the instruments can also be crossed.
  • the invention has for its object to improve a device of the type mentioned so that several simulated instruments can be arranged in close proximity to each other without hindering each other, so the quality of the simulation for the Increase surgeon. Furthermore, it is an object of the invention to better detect the detection of transverse forces when the instrument is tilted. This object is achieved according to the invention in that at least one force sensor is arranged between a first drive block connected to the handle and a second drive block rigidly connected to the frame.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an instrument with the arrangement of a force sensor according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an instrument with an arrangement of a force sensor according to the invention.
  • the instrument 1 shows very schematically a cross section of an instrument 1 according to the prior art with a sensor 2.
  • the instrument 1 has a handle 3, which can be a scissor handle, for example.
  • This handle 3 is rigidly connected to a tube 4 which is axially displaceable in an outer tube 5 along the longitudinal axis 6 of the instrument 1.
  • the handle 3 can also have sensors (not shown in the drawings) which, for example, detect an opening of the handle 3.
  • the outer tube 5 is arranged in a first engine block 13.
  • the engine block 13 has drives, not shown here, with which the outer tube 5 can be displaced relative to the engine block 13 in the direction of the longitudinal axis 6 and with which the outer tube 5 can be rotated about the longitudinal axis 6 relative to the engine block 13.
  • the engine block 13 is rigidly connected to a suspension 14.
  • the suspension 14 may preferably be a gimbal or other be an axial suspension with which a pivoting of the instrument 1 around the insertion point (virtual trocar) in the simulated abdominal wall is simulated with simple means. This suspension 14 is then attached to the stationary base frame of the instrument 1 in a manner not shown in the figures.
  • the suspension 14 is arranged to be movable with respect to the base frame and thus with respect to the plane of the drawing.
  • a suspension can in particular be a suspension which can be pivoted about a virtual pivot point and which lies outside the mechanical structure.
  • the distal end 7 of the instrument 1 carries the functional part of the same in the real instrument, for example pliers, scissors, a knife, a camera or the like.
  • a force sensor 2 is arranged at this lower end 7. 1 that the force section 2 is firmly connected to the distal end of the tube 4 with its lower section 8.
  • the upper section 9, however, is rigidly connected to the outer tube 5.
  • the upper section 9 comprises transition elements 10, which deform under load, with which measurement data of the deformation can be acquired via strain gauges attached to them, from which force vector data can be determined as a result.
  • three movements applied by the operator to the handle 3 are of interest: moving the instrument 1 in the direction of the longitudinal axis 6, which leads to a differential translational movement of the two tubes 4 and 5 into one another, rotating the instrument 1 about the said longitudinal axis 6, which leads to a differential rotation of the two tubes 4 and 5 against each other, and a tilting of the instrument 1 around the insertion point of the virtual trocar into the abdominal wall of the simulated patient.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an instrument 1 with an arrangement of a force sensor 12 according to the invention.
  • the tube 4 is still guided in the outer tube 5, only the tube 4 and the outer tube 5 are firmly connected to a terminating piece 17.
  • the handle 3 is integrated with the tube 5, so that the distal end 7 can be almost completely cut off (shortened). The length of the end protruding beyond the engine block 13 on the side pointing away from the (fully inserted) handle then only has to be so large that the maximum advancement and retraction of a handle 3 of an instrument can be simulated, i.e. correspond to this stroke.
  • the force sensor 12 is thus arranged between the two motor units in the embodiment according to the invention according to FIG. 2, on the one hand the motor block 13 with which the force feedback for the translation and rotation of the handle 3 is driven, and on the other hand the drive of the WEInic suspension 14, with which the force feedback for the inclination of the instrument and the pivoting around the insertion point in the simulated abdominal wall is driven.
  • the arrangement of the sensor 12 between the drive blocks makes it necessary to compensate the sensor coordinates on the basis of the geometry and on the basis of the dynamics. The weight ratios must be taken into account.

Abstract

The invention relates to a device for simulating a rod-shaped surgical instrument (1), in particular for simulating an endoscopic instrument, said device having a fixed frame. The instrument (1) is provided with a handle (3) for the operator. At least two drive blocks (13, 14) are used for the back-coupling of forces. The instrument is guided in a virtual trocar and has at least one force sensor (12). The handle (3) is connected to the frame by means of the virtual trocar, the drive blocks (13, 14) and the force sensor (12). At least one force sensor (12) is located between a first drive block (13) that is connected to the handle (3) and a second drive block (14) that is connected in a fixed manner to the frame, in such a way that a reduction of the space requirement for the instrument and an improved measured value detection for the pivoting motion of said instrument are achieved simultaneously.

Description

Vorrichtung zur Simulation eines stabförmigen chirurgischen Instrumentes mit Kraftrückkopplung Device for simulating a rod-shaped surgical instrument with force feedback
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation eines stabförmigen virtuellen chirurgischen Instrumentes, insbesondere für die Simulation eines endoskopischen Instrumentes, mit einem ortsfesten Gestell, mit einem Handgriff des Instrumentes, mit mindestens zwei Antriebsblöcken für eine Kraftrückkopplung, mit einem virtuellen Trokar und mit mindestens einem Kraftsensor, wobei der Handgriff über den virtuellen Trokar, über die Antriebsblöcke und über den Kraftsensor mit dem Gestell verbunden ist .The invention relates to a device for simulating a rod-shaped virtual surgical instrument, in particular for simulating an endoscopic instrument, with a stationary frame, with a handle of the instrument, with at least two drive blocks for force feedback, with a virtual trocar and with at least one force sensor, the handle being connected to the frame via the virtual trocar, the drive blocks and the force sensor.
Bei Vorrichtungen zum Einsatz bei der Simulation von Operationen, insbesondere endoskopischen Eingriffen, werden mehrere Antriebsblöcke eingesetzt. Diese sind in einer Weise angesteuert, um eine Übertragung von simulierten Kräften zu gestatten. Die auf die Vorrichtung einwirkenden Kräfte werden jeweils durch einen Kraftsensor erfasst. Aus dem Stand der Technik ist es für eine solche Vorrichtung bekannt, einen Kraftsensor am unteren Ende des Instrumentes wie in der Fig. 1 angedeutet anzuordnen. Unter Kraftsensor ist jede Kombination von Kraftsensoren zu verstehen, die die einwirkenden Kräfte für eine Reihe von Freiheitsgraden erfassen können. Die Anordnung nach dem Stand der Technik hat den Vorteil, dass durch das Rohr des Instrumentes übertragende Kräfte direkt erfasst werden und keine Verzögerungen durch zwischengeschaltete Mechanik und Aktuatoren auftreten. Weiterhin ist von Vorteil, im Gegensatz zu einer Anordnung des Kraftsensors am oberen Ende des Rohrs des Instrumentes, dass der Kraftsensor nicht in einem Bereich angeordnet ist, der bei der Simulation oberhalb der Bauchdecke eines simulierten Patienten liegt und somit die Simulation des Bereiches um den durch die Bauchdecke einzuführenden Trokar beeinträchtigen würde.In the case of devices for use in the simulation of operations, in particular endoscopic interventions, several drive blocks are used. These are controlled in a way to allow the transfer of simulated forces. The forces acting on the device are each recorded by a force sensor. For such a device, it is known from the prior art to arrange a force sensor at the lower end of the instrument, as indicated in FIG. 1. A force sensor is to be understood as any combination of force sensors that can measure the forces acting for a number of degrees of freedom. The arrangement according to the prior art has the advantage that forces transmitted through the tube of the instrument are recorded directly and there are no delays due to the intermediary mechanics and actuators. Furthermore, in contrast to an arrangement of the force sensor at the upper end of the tube of the instrument, it is advantageous that the The force sensor is not arranged in an area that lies above the abdominal wall of a simulated patient in the simulation and would thus impair the simulation of the area around the trocar to be inserted through the abdominal wall.
Nachteilig ist allerdings, wie aus der Fig. 1 hervorgeht, dass der Sensor ein gewisses Volumen an einem Ort benötigt, an dem sich das simulierte Instrument befindet. Dies fällt weniger ins Gewicht, wenn es sich um eine Simulation eines einzelnen Instrumentes handelt, bei dem zudem die endoskopische Kamera vollständig virtuell und nicht vom Operateur manipulierbar ist. In dem bevorzugten Falle, dass mehrere Instrumente, z.B. insgesamt drei plus eine Kamera in dem simulierten Bauchraum eingeführt sind, gestattet es der Sensor nach dem Stand der Technik nicht, dass sich die Spitzen der Instrumente nahe kommen, da dies durch den von den Kraftsensoren eingenommenen Raum verunmöglicht wird. In der Simulation der Instrumente erwartet der Operateur aber, dass sich die Zangen, Schneiden und Scherenspitzen verschiedener Instrumente auf geringste Abstände annähern können und dass auch ein Kreuzen der Instrumente möglich ist.However, as can be seen from FIG. 1, it is disadvantageous that the sensor requires a certain volume at a location where the simulated instrument is located. This is less significant if it is a simulation of a single instrument, in which the endoscopic camera is also completely virtual and cannot be manipulated by the surgeon. In the preferred case that multiple instruments, e.g. A total of three plus a camera are inserted in the simulated abdominal cavity, the sensor according to the prior art does not allow the tips of the instruments to come close, since this is made impossible by the space occupied by the force sensors. In the simulation of the instruments, however, the surgeon expects that the pliers, cutting edges and scissor tips of different instruments can approach each other at the smallest distances and that the instruments can also be crossed.
Ein anderes System zur Kraftrückkopplung ist beispielsweise aus der US 6,104158 bekannt, welches einen Roboterarm mit mehreren Freiheitsgraden darstellt.Another system for force feedback is known for example from US Pat. No. 6,104158, which represents a robot arm with several degrees of freedom.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass auch mehrere simulierte Instrumente in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sein können, ohne sich gegenseitig zu behindern, um so die Qualität der Simulation für den Operateur zu erhöhen. Desweiteren ist es ein Ziel der Erfindung die Erfassung von quer wirkenden Kräften, bei Verkippungen des Instrumentes, besser zu erfassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens ein Kraftsensor zwischen einem ersten, mit dem Handgriff verbundenen Antriebsblock und einem zweiten, mit dem Gestell starr verbundenen Antriebsblock angeordnet ist.Based on this prior art, the invention has for its object to improve a device of the type mentioned so that several simulated instruments can be arranged in close proximity to each other without hindering each other, so the quality of the simulation for the Increase surgeon. Furthermore, it is an object of the invention to better detect the detection of transverse forces when the instrument is tilted. This object is achieved according to the invention in that at least one force sensor is arranged between a first drive block connected to the handle and a second drive block rigidly connected to the frame.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Instrumentes mit der Anordnung eines Kraftsensors nach dem Stand der Technik, und Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Instrumentes mit einer erfindungsgemässen Anordnung eines Kraftsensors .An exemplary embodiment of the invention is described below by way of example with the aid of the accompanying drawings. 1 shows a schematic cross-sectional view of an instrument with the arrangement of a force sensor according to the prior art, and FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an instrument with an arrangement of a force sensor according to the invention.
Die Fig. 1 zeigt sehr schematisch einen Querschnitt eines Instrumentes 1 nach dem Stand der Technik mit einem Sensor 2. Das Instrument 1 verfügt über einen Handgriff 3, bei dem es sich beispielsweise um einen Scherengriff handeln kann. Dieser Handgriff 3 ist mit einem Rohr 4 starr verbunden, welches in einem Aussenrohr 5 axial entlang der Längsachse 6 des Instrumentes 1 verschieblich ist. Der Handgriff 3 kann noch über in den Zeichnungen nicht dargestellte Sensoren verfügen, die beispielsweise ein Öffnen des Handgriffs 3 erfassen.1 shows very schematically a cross section of an instrument 1 according to the prior art with a sensor 2. The instrument 1 has a handle 3, which can be a scissor handle, for example. This handle 3 is rigidly connected to a tube 4 which is axially displaceable in an outer tube 5 along the longitudinal axis 6 of the instrument 1. The handle 3 can also have sensors (not shown in the drawings) which, for example, detect an opening of the handle 3.
Das Aussenrohr 5 ist in einem ersten Motorblock 13 angeordnet. Der Motorblock 13 verfügt über hier nicht dargestellte Antriebe, mit denen das Aussenrohr 5 gegenüber dem Motorblock 13 in Richtung der Längsachse 6 verschoben werden kann und mit denen das Aussenrohr 5 gegenüber dem Motorblock 13 um die Längsachse 6 verdreht werden kann. Beim Stand der Technik ist der Motorblock 13 starr mit einer Aufhängung 14 verbunden. Die Aufhängung 14 kann eine kardanische Aufhängung oder eine sonstige vorzugsweise ehrachsige Aufhängung sein, mit der ein Verschwenken des Instrumentes 1 um den Einführpunkt (virtueller Trokar) in der simulierten Bauchdecke mit einfachen Mitteln nachgebildet wird. Diese Aufhängung 14 ist dann in einer in den Fig. nicht gezeigten Weise an dem ortsfesten Grundgestell des Instrumentes 1 befestigt. In der schematischen Darstellung der Zeichnungen ist die Aufhängung 14 gegenüber dem Grundgestell und somit gegenüber der Zeichenebene beweglich angeordnet. Eine solche Aufhängung kann insbesondere eine um einen virtuellen Drehpunkt verschwenkbare Aufhängung sein, welcher ausserhalb der mechanischen Struktur liegt.The outer tube 5 is arranged in a first engine block 13. The engine block 13 has drives, not shown here, with which the outer tube 5 can be displaced relative to the engine block 13 in the direction of the longitudinal axis 6 and with which the outer tube 5 can be rotated about the longitudinal axis 6 relative to the engine block 13. In the prior art, the engine block 13 is rigidly connected to a suspension 14. The suspension 14 may preferably be a gimbal or other be an axial suspension with which a pivoting of the instrument 1 around the insertion point (virtual trocar) in the simulated abdominal wall is simulated with simple means. This suspension 14 is then attached to the stationary base frame of the instrument 1 in a manner not shown in the figures. In the schematic representation of the drawings, the suspension 14 is arranged to be movable with respect to the base frame and thus with respect to the plane of the drawing. Such a suspension can in particular be a suspension which can be pivoted about a virtual pivot point and which lies outside the mechanical structure.
Das distale Ende 7 des Instrumentes 1 trägt beim realen Instrument den Funktionsteil desselben, z.B. eine Zange, eine Schere, ein Messer, eine Kamera oder ähnliches. Bei der hier dargestellten Vorrichtung zum Einsatz bei der Simulation von Operationen ist an diesem unteren Ende 7 ein Kraftsensor 2 angeordnet. In der Fig. 1 ist zu erkennen, dass der Kraftsensor 2 mit seinem unteren Abschnitt 8 fest mit dem distalen Ende des Rohres 4 verbunden ist. Der obere Abschnitt 9 ist dagegen mit dem Aussenrohr 5 starr verbunden. Der obere Abschnitt 9 umfasst Übergangselemente 10, die sich unter Belastung verformen, womit dabei über auf ihnen angebrachte Dehnungsmessstreifen Messdaten der Verformung erfassbar sind, aus denen resultierend Kraftvektordaten ermittelbar sind. Dabei sind insbesondere drei vom Operateur auf den Handgriff 3 aufgebrachte Bewegungen interessant: ein Bewegen des Instrumentes 1 in Richtung der Längsachse 6, was zu einer differentiellen Translationsbewegung der beiden Rohre 4 und 5 ineinander führt, ein Verdrehen des Instrumentes 1 um die besagte Längsachse 6, was zu einer differentiellen Verdrehung der beiden Rohre 4 und 5 gegeneinander führt, und ein Verkippen des Instrumentes 1 um den Einführpunkt des virtuellen Trokars in die Bauchdecke des simulierten Patienten.The distal end 7 of the instrument 1 carries the functional part of the same in the real instrument, for example pliers, scissors, a knife, a camera or the like. In the device shown here for use in the simulation of operations, a force sensor 2 is arranged at this lower end 7. 1 that the force section 2 is firmly connected to the distal end of the tube 4 with its lower section 8. The upper section 9, however, is rigidly connected to the outer tube 5. The upper section 9 comprises transition elements 10, which deform under load, with which measurement data of the deformation can be acquired via strain gauges attached to them, from which force vector data can be determined as a result. In particular, three movements applied by the operator to the handle 3 are of interest: moving the instrument 1 in the direction of the longitudinal axis 6, which leads to a differential translational movement of the two tubes 4 and 5 into one another, rotating the instrument 1 about the said longitudinal axis 6, which leads to a differential rotation of the two tubes 4 and 5 against each other, and a tilting of the instrument 1 around the insertion point of the virtual trocar into the abdominal wall of the simulated patient.
Die beiden zuerst genannten Bewegungen, Längsbewegung und Drehbewegung, sind mit der Vorrichtung nach dem Stand der Technik einfach erfassbar. Zur Ermittlung der wirkenden Kräfte bei der dritten Bewegung ist von Nachteil, dass ein langer Hebelarm auftritt. Dieser ist aber - wie oben angeführt - nicht durch Anordnung des Kraftsensors 2 in Handgrif nähe behebbar, da dann der Sensor 2 oberhalb des Einführpunktes des Instrumentes in die simulierte Bauchdecke und somit realitätsfremd oberhalb dieser simulierten Bauchdecke im Blickfeldbereich des Operateurs wäre.The two first-mentioned movements, longitudinal movement and rotary movement, can be easily detected with the device according to the prior art. To determine the forces acting on the third movement, it is disadvantageous that a long lever arm occurs. However, as mentioned above, this cannot be remedied by arranging the force sensor 2 in the vicinity of the handle, since then the sensor 2 would be above the point of insertion of the instrument into the simulated abdominal wall and therefore out of reality above this simulated abdominal wall in the surgeon's field of vision.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Instrumentes 1 mit einer erfindungsgemässen Anordnung eines Kraftsensors 12. Gleiche Merkmale sind in beiden Fig. jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. In einer einfachen Abänderung der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Fig. 1 ist das Rohr 4 weiterhin im Aussenrohr 5 geführt, nur sind Rohr 4 und Aussenrohr 5 mit einem Abschlussstück 17 fest verbunden. Bei einer alternativen - nicht dargestellten - Ausgestaltung ist der Handgriff 3 mit dem Rohr 5 integriert, so dass das distale Ende 7 fast vollständig abgeschnitten (gekürzt) sein kann. Die Länge des über den Motorblock 13 auf der vom (voll eingeschobenen) Handgriff wegweisenden Seite hinaus stehenden Endes muss dann nur so gross sein, dass das maximale Vorschieben und Zurückziehen eines Handgriffes 3 eines Instrumentes simuliert werden kann, d.h. diesem Hub entsprechen.FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an instrument 1 with an arrangement of a force sensor 12 according to the invention. The same features are provided with the same reference symbols in both figures. In a simple modification of the configuration of the device according to FIG. 1, the tube 4 is still guided in the outer tube 5, only the tube 4 and the outer tube 5 are firmly connected to a terminating piece 17. In an alternative - not shown - embodiment, the handle 3 is integrated with the tube 5, so that the distal end 7 can be almost completely cut off (shortened). The length of the end protruding beyond the engine block 13 on the side pointing away from the (fully inserted) handle then only has to be so large that the maximum advancement and retraction of a handle 3 of an instrument can be simulated, i.e. correspond to this stroke.
Der Kraftsensor 12 ist somit bei der erfindungsgemässen Ausgestaltung nach Fig. 2 zwischen den zwei Motoreinheiten angeordnet, auf der einen Seite der Motorblock 13, mit dem die Kraftrückkopplung für die Translation und Rotation des Handgriffs 3 angetrieben wird, und auf der anderen Seite der Antrieb der wei- teren Aufhängung 14, mit dem die Kraftrückkopplung für die Neigung des Instrumentes und das Verschwenken um den Einführpunkt in der simulierten Bauchdecke angetrieben wird. Durch die Anordnung des Sensors 12 zwischen den Antriebsblöcken ist es erforderlich, eine Kompensation der Sensorkoordinaten auf Grund der Geometrie und auf Grund der Dynamik durchzuführen. Dabei sind die Gewichtsverhältnisse zu berücksichtigen.The force sensor 12 is thus arranged between the two motor units in the embodiment according to the invention according to FIG. 2, on the one hand the motor block 13 with which the force feedback for the translation and rotation of the handle 3 is driven, and on the other hand the drive of the WEI teren suspension 14, with which the force feedback for the inclination of the instrument and the pivoting around the insertion point in the simulated abdominal wall is driven. The arrangement of the sensor 12 between the drive blocks makes it necessary to compensate the sensor coordinates on the basis of the geometry and on the basis of the dynamics. The weight ratios must be taken into account.
Durch die Anordnung des Sensors 12 zwischen den Antriebsblöcken 13 und 14 kann Masse und Volumen aus dem Bereich von Handgriff und Hubrohr 5 entfernt werden, so dass verschiedene Vorrichtungen 1 nahe aneinander geschoben werden können. Ein körperliches Berühren der einzelnen Instrumente 1 kann dann sicher ausgeschlossen werden. Somit verbessert sich die Qualität der Simulation. Desweiteren werden durch den höher und damit näher am Ver- schwenkpunkt des virtuellen Trokars angeordneten Kraftsensor Querkräfte besser erfasst. Entgegen dem Vorbehalt aus dem Stand der Technik sind auch Längskräfte und Rotationskräfte für entlang und um die Längsachse 6 ausgeführte Bewegungen mit diesem zwischen den Antriebsblöcken 13 und 14 angeordneten Kraftsensor 12 qualitativ gut erfassbar. By arranging the sensor 12 between the drive blocks 13 and 14, mass and volume can be removed from the area of the handle and lifting tube 5, so that different devices 1 can be pushed close to one another. A physical touch of the individual instruments 1 can then be safely ruled out. This improves the quality of the simulation. Furthermore, lateral forces are better detected by the force sensor, which is higher and therefore closer to the pivot point of the virtual trocar. Contrary to the reservation from the prior art, longitudinal forces and rotational forces for movements carried out along and about the longitudinal axis 6 can also be detected qualitatively with this force sensor 12 arranged between the drive blocks 13 and 14.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Simulation eines stabförmigen chirurgischen Instrumentes (1), insbesondere für die Simulation eines endoskopischen Instrumentes, mit einem ortsfesten Gestell, mit einem Handgriff (3) des Instrumentes (1), mit mindestens zwei Antriebsblöcken (13, 14) für eine Kraftrückkopplung, mit einem virtuellen Trokar und mit mindestens einem Kraftsensor (2, 12), wobei der Handgriff (3) über den virtuellen Trokar, über die Antriebsblöcke (13, 14) und über den Kraftsensor (2, 12) mit dem Gestell verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftsensor (12) zwischen einem ersten, mit dem Handgriff (3) verbundenen Antriebsblock (13) und einem zweiten, mit dem Gestell starr verbundenen Antriebsblock (14) angeordnet ist.1. Device for simulating a rod-shaped surgical instrument (1), in particular for the simulation of an endoscopic instrument, with a stationary frame, with a handle (3) of the instrument (1), with at least two drive blocks (13, 14) for force feedback , with a virtual trocar and with at least one force sensor (2, 12), the handle (3) being connected to the frame via the virtual trocar, the drive blocks (13, 14) and the force sensor (2, 12), characterized in that at least one force sensor (12) is arranged between a first drive block (13) connected to the handle (3) and a second drive block (14) rigidly connected to the frame.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antriebsblock (13) für eine Kraftrückkopplung in bezug auf eine Drehbewegung des Handgriffs (3) um die Längsachse (6) des Instrumentes (1) und für eine Kraftrückkopplung in bezug auf eine Translationsbewegung des Handgriffs (3) entlang der Längsachse (6) des Instrumentes (1) ausgelegt ist und dass der zweite Antriebsblock (14) für eine Kraftrückkopplung in bezug auf eine Verschwenkbewegung des Handgriffs (3) in bezug auf den Einführpunkt des virtuellen Trokars ausgelegt ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the first drive block (13) for a force feedback with respect to a rotational movement of the handle (3) about the longitudinal axis (6) of the instrument (1) and for a force feedback with respect to a translational movement of the handle (3) along the longitudinal axis (6) of the instrument (1) and that the second drive block (14) is designed for force feedback with respect to a pivoting movement of the handle (3) with respect to the insertion point of the virtual trocar.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte erste Kraftsensor (12) zum Erfassen einer Verschwenkbewegung des Handgriffs (3) in bezug auf den Einführpunkt des virtuellen Trokars ausgelegt ist und dass ein zweiter Kraftsensor (2) zum Erfassen einer Drehbewegung des Handgriffs (3) um' die Längsachse (6) des Instrumentes (1) und einer Translationsbewegung des Handgriffs (3) entlang der Längs- achse (6) des Instrumentes (1) zwischen einem Innenrohr (4) und einem Rohr (5) des virtuellen Trokars am distalen Ende (7) auf der dem Handgriff (3) gegenüberliegenden Seite des ersten Antriebsblockes (13) angeordnet ist.3. Device according to claim 1 or claim 2, characterized in that said first force sensor (12) is designed for detecting a pivoting movement of the handle (3) with respect to the insertion point of the virtual trocar and that a second force sensor (2) for detecting a rotational movement of the handle (3) about the longitudinal axis (6) of the instrument (1) and a translational movement of the handle (3) along the longitudinal Axis (6) of the instrument (1) is arranged between an inner tube (4) and a tube (5) of the virtual trocar at the distal end (7) on the side of the first drive block (13) opposite the handle (3).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrument (1) an dem Handgriff (3) über einen Stab (4, 5) verfügt, dessen über den ersten Antriebsblock4. Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the instrument (1) on the handle (3) has a rod (4, 5), the first drive block
(13) auf der dem Handgriff (3) gegenüberliegenden Seite überstehende Länge dem vordefinierten virtuellen Hub des Instrumentes (1) entspricht.(13) on the side protruding from the handle (3) corresponds to the predefined virtual stroke of the instrument (1).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kraftsensor (12) übertragene Kräfte und und/oder Momente mit Hilfe von Dehnmessstreifen aufnehmbar sind. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that with the force sensor (12) transmitted forces and and / or moments can be recorded with the aid of strain gauges.
PCT/CH2001/000684 2000-11-22 2001-11-22 Device for simulating a rod-shaped surgical instrument with a back-coupling of forces WO2002043030A2 (en)

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