PL218331B1 - Manipulator chirurgiczny - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest manipulator chirurgiczny, stosowany w operacjach mało inwazyjnych, polegających na minimalizacji obszaru nacięcia ciała operowanego pacjenta. Manipulator chirurgiczny, posiadający siedem stopni swobody, złożony z połączonych ze sobą przegubowo elementów, charakteryzuje się tym, że poszczególne jego elementy stanowią odrębne moduły rozłącznie ze sobą sprzężone, przy czym chwytak narzędzia chirurgicznego stanowi moduł (1) z napędem szczęk z nim sprzężonych, kolejny moduł (6) stanowi zespół, posiadający dwa stopnie swobody, każdy napędzany dwoma aktuatorami piezoelektrycznymi, następnym jest moduł (13), posiadający łącznik połączony obrotowo z korpusem, napędzanym poprzez przekładnię planetarną silnikiem, wmontowanym do tego korpusu, kolejne moduły (25) to zespoły o jednym stopniu swobody, zróżnicowane długością, wyposażone w napędy, które stanowią silniki bezszczotkowe i przekładnie planetarne oraz zintegrowany enkoder, przy czym poszczególne moduły (1, 6, 13, 25) sprzęgane ze sobą bezpośrednio lub poprzez pośredniczące człony łączące (43).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest manipulator chirurgiczny stosowany w operacjach mało inwazyjnych polegających na minimalizacji obszaru nacięcia ciała operowanego pacjenta.

W klasycznym podejściu operacja zaczyna się od przygotowania pola operacyjnego przez chirurga poprzez nacięcie tkanki operowanego by umożliwić dojście rąk chirurga do narządu, na którym ma być przeprowadzona operacja. W większości operacji nacięcie ciała jest zbyt duże w stosunku do zakresu prowadzonej operacji i rany pooperacyjne są głównie przyczyną długiej rekonwalescencji pacjenta. Idealną operacją można nazwać taką, w której przeprowadza się zabieg przy minimalnym uszkodzeniu powłoki organizmu oraz bez nacisków na inne tkanki. Warunek ten spełnia chirurgia małoinwazyjna polegająca na zminimalizowaniu urazów jakie powstają podczas przygotowania drogi do osiągnięcia przestrzeni, w której znajduje się operowany narząd. W tego typu operacjach chirurg używa narzędzi o małych rozmiarach, którymi dostaje się do operowanego narządu poprzez nieznaczne nacięcie w ciele pacjenta. Wymaga to zastosowania, jak już wspomniano narzędzi o małych rozmiarach o złożonej kinematyce oraz sprzężenia wizyjnego w postaci endoskopii.

Aktualnie istnieje kilka rozwiązań robotów chirurgicznych, z których najbardziej znanym jest robot opracowany przez amerykańską firmę Intuitive Surgical zwany systemem da Vinci. System ten składa się z ergonomicznej konsoli sterującej oraz platformy z czterema interaktywnymi ramionami. Dwa lub trzy ramiona wyposażone są w wymienne narzędzia chirurgiczne, zaś czwarte ramię posiada kamerę stereo, która zapewnia trójwymiarowy obraz pola operacyjnego. Na końcu dwóch ramion kierowanych rękami chirurga umieszczone są narzędzia poruszane za pomocą cięgien. Są tak zaprojektowane by zapewnić intuicyjne sterowanie poprzez analogię do ruchów ludzkiego nadgarstka i posiadają łącznie siedem stopni swobody mogących zginać się pod kątem 90°. System ten jednak nie posiada siłowego sprzężenia zwrotnego co można uznać za istotną wadę, gdyż to odczucie jest bardzo ważne dla operującego chirurga.

Należy tu też przytoczyć opis rozwiązania robota kardiochirurgicznego Robin Heart. Posiada on pięć stopni swobody, przy czym trzy umożliwiają uzyskanie odpowiedniej orientacji w przestrzeni operacyjnej, czwarty umożliwia otwieranie i zamykanie szczęk mocujących narzędzie chirurgiczne. Każdy stopień swobody posiada cięgno sterujące, które jest poruszane przez pięć niezależnych napędów. Cięgna są napędzane silnikami prądu stałego o mocy 15 W bez przekładni. Wadą tego robota jest zmniejszony okres życia napędu, z uwagi na częste zginanie linek, co również powoduje duże ryzyko ich zrywania podczas pracy i przerwę w czasie wykonywanej operacji w celu ich wymiany. Zastosowanie cięgnowego napędu jest powodem zmniejszającej się precyzji działania wraz z dłuższym czasem użytkowania przedmiotowego robota, co w końcu prowadzi do wymiany tego zespołu stanowiącego manipulator narzędzia chirurgicznego. Brak antyseptycznej osłony na główną część manipulatora sprawia, iż jest on jednorazowego użycia, mimo bardzo wysokiego kosztu wykonania.

Poza tym znane są różne rozwiązania konstrukcyjne manipulatorów czy też robotów z dostępnych opisów patentowych, a mianowicie: PL 208430, US 5575805, CN 2231469, EP 0332506, WO 2006079108, US 4828453. Przedstawiono je niżej w syntetycznym ujęciu.

Opisane w polskim opisie patentowym nr PL 208430 urządzenie „Manipulator, zwłaszcza manipulator robota medycznego składa się z kilku modułów z napędem cięgnowym. Biorąc to pod uwagę nie ma możliwości manewrowania w trudnodostępnym polu operacyjnym. Poza tym posiada wady jak wcześniej opisany robot kardiochirurgiczny Robin Heart.

Urządzenie będące przedmiotem patentu USA nr 5 575 805 jest urządzeniem laparoskopowym ze sterowaniem ręcznym, z bardzo ograniczonym polem manewrowania.

Urządzenie opisane w dokumencie CN 2251469 jest robotem o dużych gabarytach w odniesieniu do robota chirurgicznego. Nie nadaje się do zastosowania w operacjach chirurgicznych małoinwazyjnych.

Rozwiązanie opisane w patencie europejskim EP 0332506 dotyczy koncepcji konstrukcji robota modułowego również nie nadającego się do operacji małoinwazyjnych.

Urządzenie opisane w dokumencie WO 2006/079108 stanowi robot naprowadzający narzędzie chirurgiczne sterujące nim w polu operacyjnym.

Rozwiązanie opisane w patencie USA 4 828 453 stanowi robot przemysłowy do realizacji operacji technicznych na przykład sortowanie części na taśmie produkcyjnej.

Manipulator chirurgiczny posiadający siedem stopni swobody złożony z połączonych ze sobą przegubowo elementów, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że poszczególne jego elePL 218 331 B1 menty stanowią odrębne moduły rozłącznie ze sobą sprzężone, przy czym chwytak narzędzi chirurgicznych stanowi moduł z napędem szczęk je mocujących, kolejny moduł orientujący stanowi zespół posiadający dwa stopnie swobody, każdy napędzany dwoma aktuatorami piezoelektrycznymi. Następnym jest moduł zawiasowy posiadający łącznik połączony obrotowo z korpusem modułu zawiasowego, napędzany poprzez przekładnię planetarną silnikiem wmontowanym do wymienionego modułu zawiasowego, kolejny moduł bazowy to zespół o jednym stopniu swobody, zróżnicowany długością, wyposażony w napęd, który stanowi bezszczotkowy silnik i przekładnia planetarna oraz zintegrowany enkoder. Poszczególne moduły a mianowicie moduł chwytaka, moduł orientujący, moduł zawiasowy i moduł łączący są sprzęgane ze sobą bezpośrednio lub poprzez pośredniczące człony łączące. Całość konstrukcji manipulatora chirurgicznego, poza modułem chwytaka, jest osłonięta cienką, wymienną powłoką antyseptyczną.

Moduł, który stanowi chwytak narzędzia chirurgicznego wykonany ze stali chirurgicznej posiada kleszcze napędzane silnikiem, umieszczonym w korpusie chwytaka, poprzez przekładnie śruba - nakrętka, w tylnej części korpusu chwytaka usytuowane są płaskie powierzchnie z otworami do połączenia z modułem orientującym sterującym ruchem chwytaka z narzędziem chirurgicznym, lub członem łączącym.

Z kolei moduł orientujący z dwoma stopniami swobody, zbudowany jest z dwóch części korpusu modułu orientującego z kieszeniami na cztery piezoelektryczne aktuatory, które parami są sprzężone z przegubowo połączonymi z wymienionym korpusem modułu orientującego łącznikami o wzajemnie prostopadłych osiach, usytuowanych na przeciwległych jego końcach.

Moduł zawiasowy posiadający jeden stopień swobody, który stanowi obrót wokół jego osi, zbudowany jest z korpusu modułu zawiasowego z umieszczonym w nim napędem z silnikiem, na wale którego zamontowane jest koło zębate współpracujące z kołem zębatym przekładni planetarnej i wprawiające w ruch obrotowy łącznik z innym modułem lub członem łączącym, sprzężony z jednym z końców wymienionego korpusu modułu zawiasowego, natomiast na przeciwległym jego końcu są wykonane spłaszczenia z otworami na śruby łączące moduł zawiasowy z innym modułem z nim współpracującym lub członem łączącym.

Kolejny w komplecie moduł bazowy z jednym stopniem swobody, jako ruch wahadłowy łącznika połączonego z korpusem modułu bazowego poprzez płaski przegub, posiada napęd, który stanowi silnik bezszczotkowy wraz z przekładnią planetarną i jest wyposażony w zintegrowany enkoder, natomiast moment poruszający łącznikiem realizowany jest przez przekładnię ślimakową, w której ślimak jest umiejscowiony na wale silnika a ślimacznica połączona jest z wałem przenoszącym napęd na łącznik. Silnik z przekładnią jest mocowany do korpusu modułu bazowego poprzez zaciski i miniaturowe śruby maszynowe, natomiast na przeciwległym końcu tego korpusu są wykonane spłaszczenia z otworami, łączące inne moduły lub człony łączące.

Człon łączący wewnątrz posiada pusty profil o zaokrąglonych krawędziach a jeden z jego końców ukształtowany jest w formie występów z otworami, natomiast przeciwległa część posiada spłaszczenia z otworami, które stanowią elementy łączące z innymi modułami lub członami łączącymi.

Nowe rozwiązanie manipulatora chirurgicznego dzięki modułowej konstrukcji pozwala na praktycznie dowolną jego konfigurację tak z punktu widzenia kinematyki jak również wymiarów długości, w zależności od planowanego zabiegu chirurgicznego. Jest to możliwe między innymi dzięki zastosowaniu członów łączących, których może być w komplecie kilka o różnych długościach. Również w skład kompletu elementów do zmontowania manipulatora mogą wchodzić moduły o zróżnicowanej długości, zwłaszcza te o jednym stopniu swobody z wahliwym łącznikiem. Wyposażenie każdego z wcześniej wymienionych modułów w autonomiczne napędy pozwoliło na wyeliminowanie wcześniej stosowanych linek i wad wynikających z ich użytkowania. Zwłaszcza należy tu podkreślić zwiększenie żywotności, niezawodności i precyzji działania. Do istotnych zalet nowego rozwiązania należy też zaliczyć możliwość wspomagania komputerowego przy jego sterowaniu w trakcie zabiegu. Zastosowanie wymiennej powłoki antyseptycznej na manipulator istotnie poprawia bezpieczeństwo pacjenta przed infekcją, jak również obniża wymagania materiałowe, z których wykonywane są poszczególne moduły i człony łączące. Dzięki temu można go również wielokrotnie używać do zabiegów operacyjnych.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym na fig. 1, 2, 3 i 4 przedstawiono w schematycznym ujęciu poszczególne moduły z napędami, wchodzące w skład kompletu elementów manipulatora chirurgicznego, natomiast na fig. 5 w podobnym ujęciu

PL 218 331 B1 przedstawiono człon łączący bez stopni swobody a na fig. 6 manipulator skonfigurowany z poszczególnych elementów.

Manipulator chirurgiczny posiada, jak już wcześniej to opisano, budowę modułową, która pozwala na jego zróżnicowaną konfigurację i tym samym uzyskanie odmiennej kinematyki, adekwatnej do rodzaju prowadzonej operacji.

Jednym z modułów jest moduł chwytaka 1 narzędzia chirurgicznego przedstawiony na fig. 1, który jest wykonany ze stali chirurgicznej biokompatybilnej dla organizmu człowieka, gdyż jako jedyny moduł będzie bezpośrednio w kontakcie z ludzką tkanką. W korpusie chwytaka 2 są zamocowane szczęki 3 sprzężone z nim przegubowo. Ruch szczęk jest realizowany poprzez przekładnie śruba-nakrętka napędzane silnikiem, które nie są uwidocznione na rysunku. W tylnej części korpusu chwytaka 2 wykonane są powierzchnie płaskie 4 z otworami 5 do połączenia z innym modułem.

Kolejny moduł orientujący 6 o dwóch stopniach swobody przedstawiony na fig. 2 posiada na przeciwległych końcach połączone z korpusem modułu orientującego 7 przegubami 8 łączniki 9 i 10. Wymienione łączniki są napędzane łącznie czterema piezoelektrycznymi aktuatorami 11, z których po dwa przypadają na każdy łącznik 9 i 10. Łączniki 9 i 10 posiadają po dwa ucha 12 z otworami służącymi do połączenia modułu orientującego 6 z innymi współpracującymi z nim modułami lub członami łączącymi. Z uwagi na jego analogie do nadgarstka ludzkiej ręki wykorzystywany jest głównie do sterowania modułem chwytaka 1 i przede wszystkim z nim sprzęgany poprzez jeden z łączników 9 lub 10.

Na fig. 3 przedstawiono moduł zawiasowy 13, który posiada jeden stopień swobody i umożliwia obrót wokół własnej osi. Moduł jest zbudowany z korpusu modułu zawiasowego 14, w którym za pomocą płytek dociskowych 15 utrzymywany jest napęd 16. Na wale napędu 16 zamontowane jest koło zębate 17, które współpracując z kołem zębatym 18 porusza łącznik 19. W celu zmniejszenia tarcia ruchomych części, w odpowiednich wyżłobieniach w korpusie modułu zawiasowego 14 i łączniku 19 umieszczono kulki łożyskowe 20. Łącznik 19 podobnie jak wcześniej już opisane posiadają ucha 21 z otworami 22 do połączenia modułu zawiasowego 13 z innym modułem z nim współpracującym, przy czym zaleca się by łączyć go z modułem orientującym 6 połączonym najkorzystniej z modułem chwytaka 1. Z przeciwległego końca korpus modułu zawiasowego 14 posiada wykonane spłaszczenia 23 z otworami 24 do połączenia go z innym modułem lub członem łączącym 43 przedstawionym na fig. 5.

Z kolei na fig. 4 przedstawiono moduł bazowy 25 stanowiący najdłuższy człon manipulatora chirurgicznego według wynalazku. Do napędu ruchu łącznika 26 zastosowano bezszczotkowy silnik 27 wraz z przekładnią planetarną 28 o przełożeniu 1024:1. Zespół napędowy wyposażony jest w zintegrowany enkoder na bazie czujników Halla, dając informację o aktualnym położeniu wału silnika 27. Przeniesienie ruchu obrotowego napędu na ruch wahliwy łącznika 26 zrealizowany jest poprzez zastosowanie przekładni składającej się ze ślimaka 29 i ślimacznicy 30. Wał silnika 27, na którym umiejscowiony jest ślimak 29 zabezpieczony jest przed ugięciem podczas ruchu podporą 31. Zadaniem podpory 31 jest również utrzymanie ślimaka 29 w optymalnej pozycji względem ślimacznicy 30 zabezpieczając bezpieczeństwo pracy. Ślimacznica 30 połączona jest z wałem 32 przenoszącym napęd na łącznik 26. Dla zmniejszenia tarcia oraz stabilizacji wału zastosowano mini łożyska 33 zamontowane w uchu łączącym 34 oraz w korpusie modułu bazowego 35. Do zamocowania napędu do korpusu modułu bazowego 35 zastosowano zaciski 36 za pomocą standardowych śrub 37. W łączniku 26 zaprojektowano występ 38 zabezpieczający przed ugięciem wału 32 ze ślimacznicą 30 poddawaną znacznemu obciążeniu podczas pracy. Łącznik 26, podobnie jak wcześniej opisane, posiada ucha 39 z otworami 40 do sprzężenia z innym modułem, końcówką robota lub członem łączącym. Na przeciwległym końcu korpusu modułu bazowego 35 wykonane jest spłaszczenie 41 z otworami 42 do zamocowania kolejnego elementu manipulatora chirurgicznego.

Poza opisanymi modułami w skład kompletu do zmontowania manipulatora chirurgicznego zgodnie z wynalazkiem wchodzą człony łączące bez jakichkolwiek stopni swobody mogące posiadać różne długości, ale o takim samym ukształtowaniu obu ich końców. Na fig. 5 przedstawiono taki człon łączący 43. Jest on wykonany z lekkiego materiału na przykład wzmocnionego stopu aluminium. Wewnątrz członu 43 przewidziano prosty profil 44 o zaokrąglonych krawędziach przeznaczony do prowadzenia przewodów, jak również zmniejsza masę tego członu. Na jednym końcu opisywany człon 43 posiada ucha 45 z otworami 46 na śruby mocujące, na przeciwległym końcu wykonane jest spłaszczenie 47 z otworami 48. Do obu końców opisanego członu 43 mogą być mocowane moduły lub inne człony łączące.

W końcu na fig. 6 pokazano w ujęciu schematycznym manipulator chirurgiczny według wynalazku, na którym są ze sobą sprzężone kolejno - moduł chwytaka 1, moduł orientujący 6 o dwóch

PL 218 331 B1 stopniach swobody - nadgarstek, moduł zawiasowy 13 z możliwością obrotu i moduł bazowy 25 najdłuższy, który jest przyłączony do końcówki robota 50. Pomiędzy modułem bazowym 25 a modułem zawiasowym 13 wykorzystano człon łączący 43. Cały manipulator do modułu chwytaka 1 narzędzia chirurgicznego osłonięty jest cienką, wymienną osłoną antyseptyczną 49.

Claims (7)

1. Manipulator chirurgiczny posiadający siedem stopni swobody złożony z połączonych ze sobą przegubowo elementów, znamienny tym, że poszczególne jego elementy stanowią odrębne moduły rozłącznie ze sobą sprzężone, przy czym chwytak narzędzi chirurgicznych stanowi moduł chwytaka (1) z napędem szczęk (3) je mocujących, kolejny moduł orientujący (6) stanowi zespół posiadający dwa stopnie swobody, każdy napędzany dwoma aktuatorami piezoelektrycznymi (11), następnym jest moduł zawiasowy (13) posiadający łącznik (19) połączony obrotowo z korpusem modułu zawiasowego (14) napędzany poprzez przekładnię planetarną silnikiem wmontowanym do wymienionego modułu zawiasowego (13), kolejny moduł bazowy (25) to zespół o jednym stopniu swobody, o zróżnicowanej długości, wyposażony w napęd, który stanowi silnik bezszczotkowy (27) i przekładnia planetarna (28) oraz zintegrowany enkoder, moduł chwytaka (1), moduł orientujący (6), moduł zawiasowy (13), moduł bazowy (25) sprzęgane są ze sobą bezpośrednio lub poprzez pośredniczące człony łączące (43).

2. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że całość konstrukcji, poza modułem chwytaka (1), jest osłonięta wymienną powłoką antyseptyczną (49).

3. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł chwytaka (1) który stanowi element narzędzia chirurgicznego wykonany ze stali chirurgicznej, posiada kleszcze (3) napędzane silnikiem, umieszczonym w korpusie chwytaka (2) poprzez przekładnie śruba - nakrętka, w tylnej części korpusu chwytaka (2) usytuowane są powierzchnie płaskie (4) z otworami (5) do połączenia z modułem orientującym (6) sterującym ruchem modułu chwytaka (1) z narzędziem chirurgicznym lub członem łączącym (43).

4. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł orientujący (6) z dwoma stopniami swobody, zbudowany jest z dwóch części korpusu modułu orientującego (7) z kieszeniami na cztery piezoelektryczne aktuatory (11), które parami są sprzężone z przegubowo połączonymi z korpusem modułu orientującego (7) łącznikami (9, 10) o wzajemnie prostopadłych osiach usytuowanych na przeciwległych jego końcach.

5. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł zawiasowy (13) posiadający jeden stopień swobody, który stanowi obrót wokół jego osi, zbudowany jest z korpusu modułu zawiasowego (14) z umieszczonym w nim napędem (16) z silnikiem, na wale którego zamontowane jest koło zębate (17) współpracujące z kołem zębatym (18) przekładni planetarnej i wprawiające w ruch obrotowy łącznik (19) z innym modułem lub członem łączącym, sprzężony z jednym z końców wymienionego korpusu modułu zawiasowego (14) natomiast na przeciwległym jego końcu są wykonane spłaszczenia (23) z otworami (24) na śruby łączące moduł zawiasowy (13) z innym modułem z nim współpracującym lub członem łączącym (43).

6. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł bazowy (25) z jednym stopniem swobody, jako ruch wahadłowy łącznika (26) połączonego z korpusem modułu bazowego (35) poprzez płaski przegub, posiada napęd, który stanowi silnik bezszczotkowy (27) wraz z przekładnią planetarną (28) i jest wyposażony w zintegrowany enkonder, natomiast moment poruszający łącznikiem (26) realizowany jest przez przekładnię ślimakową, w której ślimak (29) jest umiejscowiony na wale silnika (27) a ślimacznica (30) połączona jest zwałem (32) przenoszącym napęd na łącznik (26) a silnik (27) z przekładnią (28) jest mocowany do korpusu modułu bazowego (35) poprzez zaciski (36) i miniaturowe śruby maszynowe (37) natomiast na przeciwległym końcu tego korpusu są wykonane spłaszczenia (41) z otworem (42) łączące inne moduły lub człony łączące (43).

7. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że człon łączący (43) wewnątrz posiada pusty profil (44) o zaokrąglonych krawędziach a jeden z jego końców ukształtowany jest w formie występów (45) z otworami (46), natomiast przeciwległa część posiada spłaszczenia (47) z otworami (48).