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EP4447842A1 - Surgical robot system and control method - Google Patents

Surgical robot system and control method

Info

Publication number
EP4447842A1
EP4447842A1 EP22836064.0A EP22836064A EP4447842A1 EP 4447842 A1 EP4447842 A1 EP 4447842A1 EP 22836064 A EP22836064 A EP 22836064A EP 4447842 A1 EP4447842 A1 EP 4447842A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
patient
end effector
surgical
robot
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22836064.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Amir Sarvestani
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
B Braun New Ventures GmbH
Original Assignee
B Braun New Ventures GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by B Braun New Ventures GmbH filed Critical B Braun New Ventures GmbH
Publication of EP4447842A1 publication Critical patent/EP4447842A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present disclosure relates to a robotic surgical system for surgical intervention in a patient in which a controlled end effector assists in the intervention. Furthermore, the present disclosure relates to a control method/assistance method and a computer-readable storage medium according to the preamble of the independent claims.
  • Robot-assisted surgical systems for assisting a surgical intervention are widespread, particularly in the field of laparoscopic surgery.
  • Surgical robots or robot systems are also being used more and more in neurosurgery, spinal surgery and ENT surgery.
  • a disadvantage of the current robot systems is that they are almost exclusively floor-mounted robot systems, and in exceptional cases also ceiling-mounted robot systems, the configuration of which has a disadvantageous effect on the actuation of an end effector that is used.
  • floor-mounted or ceiling-mounted means that the robot is locally connected to the room-fixed system and thus to the patient with the corresponding intervention area, via the floor or via the ceiling of the operating room.
  • mobile units are known, for example, which can be placed in the operating room at different points in relation to the operating table on which the patient is lying, in order to realize different arrangements relative thereto.
  • robotic systems which track a position of an instrument with the aid of a (standard) navigation system which uses, for example, optical tracking by means of a rigid body or electromagnetic tracking (EM tracking).
  • EM tracking electromagnetic tracking
  • attaching a rigid body to the instrument itself degrades its ergonomics and increases a working volume.
  • an EM system has the disadvantage of distortions from devices that emit electromagnetic radiation of similar wavelengths. This EM radiation can be generated by robots themselves, for example, which ultimately has a negative impact and impairs tracking accuracy.
  • a subtask can be seen as making the configuration simple and modular and enabling cost-effective production. Another sub-task is to be able to place and align a robot even better and more flexibly in relation to an intervention area in order to be able to carry out the intervention even better and more easily.
  • a basic idea of the present disclosure can be seen in the fact that a geometric frame structure/fixation structure (patient fixation unit) is connected immediately and directly to the body part of the patient on which the surgical intervention takes place and is in particular rigidly statically fixed relative to a section of the human skeleton.
  • a relative transformation between a local coordinate system (KOS) of the patient or the surgical area on the patient on the one hand and a local KOS of the patient fixation structure on the other hand is not changed or only minimally changed and remains the same even when the fixed body section of the patient moves Maintain patient static.
  • KOS local coordinate system
  • the surgical robot in turn, is attached directly to this geometric fixation structure via its robotic base or coupled, so that a relative transformation between the patient with the surgical area and the robot base is kept constant and does not change when the patient is displaced on the operating table.
  • This special configuration significantly increases precision during the intervention. So no floor-based robot, no ceiling-based robot and also no table-based robot is used, but to a certain extent a patient-supported robot in order to establish a direct connection with the patient without having to go over the operating table itself. It is therefore not the floor or the table that is used as a reference for the local coordinate system of the robot or the robot base, but (via the patient fixation system) the patient or the part of the patient’s body to be fixed.
  • a surgical robotic system for a surgical procedure on a patient comprising: at least one patient fixation unit adapted to be rigidly and directly connected/attached to the patient, in particular to a patient's head, to rigidly fix at least a portion of the patient's body with an engagement area relative to the patient fixation unit; at least one surgical robot that has a robot base, the robot base being connected directly and immediately to the patient fixation unit, in particular being fastened or coupled, and having a movable robot arm connected to the robot base and a robot arm attached to the robot arm, in particular on one end side of the Robotic arm, connected, in particular mounted, end effector, in particular a surgical instrument.
  • This robot system allows a particularly precise and intuitive control of an end effector.
  • an instrument or a recording device such as a camera can be used as an end effector in the surgical robot system.
  • a direct connection means that the immediate (serial) geometric connection of the at least one surgical robot to the patient fixation unit takes place, and this connection is independent of a connection to an object in the operating room, such as an operating table or a floor.
  • the patient fixation unit can also with the be connected to the operating table in order to achieve further stabilization, however, the (serial, shortest) connection between the patient and the end effector does not run via the operating table or via a floor-based system, but directly and solely via the patient fixation unit. In this way, a direct path between the end effector and the patient can be kept particularly short and as a result the precision and also the control can be improved.
  • the present disclosure relates to a miniaturized surgical robotic system for minimally invasive surgery, in which at least one robot is directly coupled/connected/connected to a patient fixation system with a patient fixation unit, one robot with a robot arm or multiple robots with respective robot arms is or are directly connected to the patient fixation unit itself.
  • the robot arms each guide the end effectors, in particular surgical instruments and/or visualization devices.
  • a surgical robot system for minimally invasive surgery is proposed, in which at least one robot with a robot arm, in particular two robots, is attached directly to a patient fixation unit and via the robot arm the at least one end effector, in particular the surgical instruments and/or or visualization devices.
  • the robots with the robot arms can be designed to be particularly space-saving and structurally small and still deliver excellent precision during use. A particularly good articulation can also be ensured since the connection point of the robot base is particularly close to the intervention area.
  • the advantages of the present disclosure therefore lie in the improvement in precision, a reduction in operating time due to a simpler and faster intervention and an increase in operating comfort for a surgeon in minimal surgery, in particular in the fields of neuro, spinal and ENT surgery.
  • the instruments do not have to be guided manually, but the movements are carried out by a robot that uses them Telemanipulation approach opened.
  • the disclosure presented here is thus the first robotic surgical system that enables robotic telesurgery in neuro, spine and ENT surgery with miniaturized robotic arms working through a very small port.
  • the surgical robot system can also have: at least one optical recording unit, which is adapted to create an optical recording of the surgical area, in particular with an intracorporeal tissue of the patient, and an end effector tip, in particular an instrument tip, in the field of view of the recording unit and computer-readable /to provide digitally; a data supply unit, in particular a storage unit, which is adapted to provide digital 3D image data, in particular preoperative 3D image data such as computed tomography or magnetic resonance imaging, of the patient; a tracking system, in particular a surgical navigation system, which is provided and adapted to record at least the optical recording unit and at least directly or indirectly the body section of the patient, which is fixed in relation to the patient fixation unit, and to track it in space; and a control unit, which is provided and adapted to determine a position, in particular a position and orientation (i.e.
  • the tracking system tracks the recording unit and determines a transformation between the KOS of the tracking system and the recording unit, and on the other hand, the tracking system determines a transformation between the KOS (the intervention area) of the patient and the KOS of the tracking system, so that a transformation between the recording unit and intended for the patient can be.
  • the surgical robotic system is adapted to determine the position, in particular the position, of at least the end effector tip, in particular the instrument tip, and thus to determine an exact transformation between the position or position of the end effector tip and the patient.
  • the 3D recording data of the virtual world can be correlated with the real world of the patient via the patient, so that the 3D recording data is superimposed on the one hand and the correctly positioned, in particular correctly positioned, integration of at least the end effector tip on the other hand.
  • visual assistance can be provided in the form of an overlay display, in which at least the position of the end effector tip is shown in the 3D image data, or a (partially transparent) overlay display or side-by-side display of the real image and a corresponding view of the 3D image data is output , or based on the superimposition, the end effector can be controlled (via kinematic models, for example) along a predefined trajectory, for example.
  • position means a geometric position in three-dimensional space, which is specified in particular by means of coordinates of a Cartesian coordinate system. In particular, the position can be given by the three coordinates X, Y and Z.
  • the term "orientation" in turn indicates an alignment (e.g.
  • the orientation indicates an orientation with indication of direction or rotation in three-dimensional space.
  • the orientation can be specified using three angles.
  • the term "position” includes both a position and an orientation.
  • the location can be specified using six coordinates, three position coordinates X, Y and Z and three angular coordinates for orientation.
  • the term 3D defines that the recording data is spatial, ie three-dimensional.
  • the patient's body or at least a partial area of the body with spatial extent can be present digitally as recording data in a three-dimensional space with approximately a Cartesian coordinate system (X, Y, Z).
  • the surgical robotic system is preferably coupled to an optical imaging system (recording unit) in order to visualize and record the end effectors, in particular instruments, that work on the patient's tissue in the surgical area.
  • an optical imaging system recording unit
  • This enables the position, in particular the location, of the end effector in particular instruments, and to superimpose its position, in particular position, on a, in particular pre-operative, 3D data set (3D recording data) such as computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) in order to visually assist the surgeon accordingly or a pre-operative carry out the intervention plan.
  • 3D recording data such as computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI)
  • control unit can use the end effector localization, in particular instrument localization, to superimpose the position, in particular position, of the end effector, in particular instrument, in a preoperative 3D data set such as an MR or CT in order to provide the surgeon with assistance.
  • control unit can be adapted to determine the optical recording of the end effector tip, the position, in particular the position and orientation (i.e. the location), of the end effector tip, in particular the instrument tip, relative to the recording unit by machine vision, and to determine the position, in particular the position, of the end effector tip in relation to the 3D recording data via the tracked position and orientation of the optical recording unit.
  • the end effector, in particular the instrument can preferably be localized in space by using the optical recording unit to determine the position, in particular location, by machine vision, with the recording device being aligned with the patient and also the end effector, in particular the instrument , has in the field of view.
  • the robotic surgical system is thereby designed to enable port surgery in areas such as neuro, spine or ENT surgery with a small access where instruments and visualization devices need to be inserted through a small opening.
  • an aspect of the present disclosure that may be independently claimable is a (miniaturized) robotic surgical system that includes one or more robots with robotic arms, wherein the at least one robot is attached to a patient fixation unit (a geometric frame structure) that is rigid with the patient connected is.
  • the robotic system is also combined with an optical recording system (with a recording unit), which is tracked with/by a tracking system, in particular a navigation system, and a view of the patient's tissue with the end effector tip, generated in particular of the instrument tip in the field of view, with the control unit being adapted for this purpose, the specific position, in particular the location, of the end effector tip, in particular the instrument tip, particularly preferably of the entire instrument, is determined (is localized) by machine vision and correspondingly by the control unit for navigation is used.
  • a tracking system in particular a navigation system
  • a view of the patient's tissue with the end effector tip generated in particular of the instrument tip in the field of view
  • the control unit being adapted for this purpose, the specific position, in particular the location, of the end effector tip, in particular the instrument tip, particularly preferably of the entire instrument, is determined (is localized) by machine vision and correspondingly by the control unit for navigation is used.
  • the end effector in particular the instrument, can preferably have a predefined optical marking pattern/marking element/marker, in particular in the form of rings spaced apart from one another along an end effector axis and/or in the form of a dot pattern and/or in the form of at least two squares and/or in the form of a QR code, and the control unit can be adapted to use image processing algorithms to determine the position, in particular the position, of the end effector tip, in particular of the entire end effector, on the basis of the optical marking pattern detected by the recording unit.
  • a predefined optical marking pattern/marking element/marker in particular in the form of rings spaced apart from one another along an end effector axis and/or in the form of a dot pattern and/or in the form of at least two squares and/or in the form of a QR code
  • the control unit can be adapted to use image processing algorithms to determine the position, in particular the position, of the end effector tip, in particular of the entire end effector, on the basis of
  • the end effector in particular the instrument, can be provided with optical markings/marking elements such as rings, dots, squares or QR patterns and the control unit can be adapted for this, using image processing algorithms to determine the position, in particular the location, of the end effector, in particular the instrument , to determine.
  • an instrument tip can also be localized if it is covered by tissue.
  • an instrument type can be automatically determined via a QR code, for which dimensions or geometric shapes are stored in a memory unit, which is used to determine the instrument tip.
  • Image processing algorithms can also better determine the position, in particular location, of the end effector tip, for example by means of triangulation.
  • a rigid body can preferably be arranged on the at least one end effector as an optical marker, which the tracking system detects in order to determine the position and orientation of the end effector tip, in particular of the end effector.
  • the (follow-up) tracking of the patient and the optical recording unit, in particular the microscope head of the surgical microscope can take place using an optical navigation system Has camera, in which rigid body (rigid body) to be tracked objects such as the microscope head are provided.
  • the optical marker can have four IR spheres spaced apart from one another, which the tracking system can detect.
  • the tracking system can therefore be an optical navigation system with optical markers, with the optical markers being arranged on the objects to be tracked, in particular the recording unit and/or on the end effector.
  • control unit can be adapted to determine a mean value based on the determined position, in particular location, of the tip of the end effector tip by machine vision (machine vision) and on the basis of the position detected by the tracking system, in particular location, in order to further increase precision.
  • machine vision machine vision
  • the at least one patient fixation unit can be a head holder from neurosurgery.
  • the patient fixation unit (the patient fixation system) can preferably be designed in the form of a head holder that is used in neurosurgery.
  • the head holder fixes the patient's head rigidly, thereby enabling precise surgery.
  • the patient fixation unit may be adapted to be rigidly and directly connected or attached to a patient's head, or to a patient's hip, or to a patient's knee, or to a patient's ankle, to secure at least that portion of the patient's body to the surgical site to fix rigidly to the patient fixation unit.
  • the patient fixation unit can have a rail, in particular a circumferential rail, particularly preferably a ring-shaped rail, to which the at least one robot is attached via its robot base or can be moved in a translatory manner via its robot base at least in sections along the rail, in particular coupled and captive.
  • the patient fixation unit has an annular base system or a An annular base attached to a base frame of the patient fixation unit, the annular base system surrounding the surgical site and serving as a base for the at least one robot attached thereto via its robotic base.
  • the ring base makes it possible to choose and adjust an optimal position for the robot with its robotic arm, while the robot can be moved along the ring base.
  • the patient fixation unit has a width, in particular a diameter of the ring base, which essentially corresponds to a height of the patient fixation unit.
  • the base frame is U-shaped with two opposing legs, at the free ends of which the rail running around is rigidly attached as a ring or connected in one piece of material.
  • the material of the patient fixation unit is a sterilizable material, in particular stainless steel used in medical technology.
  • the splint surrounds the surgical area and is positioned above the patient and above an operating table.
  • the horizontal width of the patient fixation unit is at most 1 meter, preferably at most 50 cm, and the vertical height is at most 1 meter, preferably 50 cm.
  • the robot base can have a carriage with a clamping and/or latching element, which is adapted to be guided translationally along the rail and to fix the position of the robot base relative to the rail when the clamping and/or latching element is activated to set different positions of the robot relative to the patient restraint unit.
  • the carriage is guided on the rail in a captive manner and embraces the rail, for example.
  • the clamping and/or latching element can in particular be a manually operable button which is pretensioned in a clamping and/or latching state and only upon manual actuation against the pretension converts the carriage into a freely movable state.
  • the position of the robot base on the rail in particular the encircling rail, can be adjustable in order to set an optimal position for the robot.
  • the robotic arm can have at least five degrees of freedom to align the end effector with a surgical entry trajectory, and/or the end effector (at a distal end of the robotic arm) can have at least one more having its own degree of freedom, in particular having a further joint with two degrees of freedom (2DOF) to allow further movement/articulation within the patient's body.
  • the robotic arm (each) can have at least five or more degrees of freedom for aligning the end effector with the surgical entry path.
  • the robot arm has five to seven degrees of freedom.
  • the end effector at the distal end of the robotic arm can be equipped with additional degrees of freedom to enable articulation within the patient's body, in particular having a joint with two degrees of freedom (2-DOF joint) on the wrist of the robotic arm.
  • the at least one optical recording device can also be a digital surgical microscope, which makes the optical recordings available to the control unit in computer-readable form, and more preferably a robot-controlled surgical microscope.
  • the optical recording unit is in particular a surgical microscope, particularly preferably a digital microscope, which is moved in particular by a robot-guided microscope arm.
  • the at least one optical recording device can also be an endoscope with a distal recording head in order to create an intracorporeal optical recording of the patient.
  • an endoscope can also be used as the at least one optical recording unit, in which a recording head is located inside the body and can be inserted through the same working channel (port) as the instruments. If, for example, optical marking patterns are provided on the endoscope, a position, in particular position, of the distal recording head of the endoscope as an end effector tip can also be determined by means of a recording by a surgical microscope, using machine vision, as described above.
  • the surgical robotic system can have a surgical navigation system for navigating the end effector.
  • the navigation system can preferably have a machine vision-based navigation system.
  • the navigation system can use a surgical microscope as a camera to analyze an end effector, in particular an instrument, by means of image analysis recognize and to determine a position or situation of at least the end effector tip, in particular the instrument tip. A tracker is no longer necessary for image analysis.
  • the robotic surgical system may be adapted to be used for operations through a port introduced into the patient's body used in neuro, spinal or ENT procedures.
  • control unit can be adapted to integrate the specific position, in particular the location, of the end effector tip, in particular the instrument tip, in the 3D recording data in the overlay display and to output it via a display device.
  • the surgical robotic system may further include a control panel (distant from the robot) adapted to transmit manual input from the user/surgeon to the at least one robotic end effector and remotely control the end effector accordingly.
  • the at least one controlled end effector, in particular the instrument can therefore be remotely controlled, in particular via a console that translates the operator's hand movements, or maneuvered autonomously using a preoperative plan.
  • the surgical robotic system therefore preferably comprises a console unit/an input device/a control panel with input devices, which is used by the surgeon to transfer the manual movements of the hands to the robot-guided instruments.
  • a joystick can be provided for each hand in order to operate the respective end effector accordingly.
  • a preoperative intervention plan can also be stored in the data provision unit of the surgical robotic system, and the control unit can be adapted to control/move the at least one end effector semi-autonomously or completely autonomously based on the superimposition and on the basis of the preoperative intervention plan, to perform the intervention.
  • the surgical robotic system in which a preoperative Plan, in particular with stored, predefined kinematic models for the individual steps of the intervention to be carried out enable the implementation of a preoperative plan and move the movement of the instruments by the robot semi- or completely anonymously.
  • the surgical robotic system can have a computer system with a display for showing the image of the optical recording unit and the position of the instrument, which is superimposed on a CT or MR.
  • an optical recording device Creating, by an optical recording device, an optical recording of an intervention area of the patient together with an end effector tip of a robot-guided end effector, in which the robot is directly connected to a patient fixation unit, and providing the optical recording;
  • a control unit Determining, by a control unit, a position, in particular a position and orientation, of the end effector tip, in particular the instrument tip, relative to the recording unit, in particular by machine vision;
  • control unit of the robotic system can be adapted to carry out the steps of the control method.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a surgical robot system according to a first preferred embodiment
  • FIG. 2 shows a perspective view of a surgical robot system according to a further, second preferred embodiment
  • FIG. 3 shows a detailed schematic perspective view from FIG. 2 with the robot-guided instrument, which has rings as a marking pattern, which is detected via the microscope head in order to determine the position of the instrument tip, and
  • FIG. 4 shows a flow chart of a control method according to a preferred embodiment.
  • the surgical robot system 1 shows a schematic, perspective view of a surgical robot system 1 according to a first preferred embodiment of the present disclosure.
  • the surgical robot system 1 is used in a craniotomy used for a neurosurgical operation on a patient P's head in order to particularly accurately manipulate the patient P's brain tissue.
  • the head of the patient P is rigidly connected to a patient fixation unit 2 .
  • rigid means that the patient's cranium is in a fixed/fixed position relative to the patient fixation unit 2 and does not change. In this way, the surgical area on the patient is fixed statically in relation to the patient fixation unit 2, so that the geometric relative relationships are retained even if the patient P is moved on an operating table.
  • the surgical robot system 1 has two miniaturized surgical robots 4 that can be actively controlled. These robots 4 are configured/designed in the same way and each have a robot base 6 which is directly and immediately firmly connected/attached to the patient fixation unit 2 on two opposite sides opposite the head of the patient P and the local connection point of the robot 4 to the patient fixation unit 2 represent.
  • a movable, multi-segmented robot arm 8 in this case with four robot arm members, is articulated on the robot base 6 with a terminal/front end effector 10 in the form of a surgical instrument 12 .
  • the robotic arm 8 can be actively controlled and guide the instrument 12 accordingly. Since the two robots 4 are fixed directly to the patient fixation system 2, on the one hand a distance between the head of the patient P (with the surgical area) and the surgical instrument 12 is minimized, which particularly improves the precision of an actuation, and on the other hand the two robots 4 be designed due to the immediate proximity to the intervention area so that the robotic arms 8 only require a short range, with associated smaller lever arms (thus lower leverage) and can thus be built more compactly and smaller.
  • robots 4 here two small ones, can also be integrated into the limited volume, which must also offer enough space for the surgeon to look inside or even for manual manipulation. This improves the engagement because now for each Hand of the operator an actuation arm of the robot 4 is ready and the surgeon can perform a dual simultaneous manipulation.
  • the surgical robot system 1 also has an optical recording unit 14 in the form of a robot-guided surgical microscope, which is configured to create and digitally provide an optical recording A of the surgical area of the patient P together with an intracorporeal tissue via an optical system and a recording sensor.
  • the surgical instrument 12 is located in the field of view 16 of the recording unit 14, but at least one instrument tip 20 as an end effector tip 18, which carries out the manipulation of the tissue.
  • the optical recording unit 14 records this instrument tip 20, which is guided by the surgeon in his field of view 16, in the recording A that has been created.
  • the surgical robot system 1 In order to navigate during the intervention via a port and with only a small visible opening and to correlate the recorded instrument tip 20 with respect to preoperative 3D recordings 3DA, the surgical robot system 1 also has a data supply unit 22 with a storage unit 24, in which digital preoperative 3D recording data 3DA of the patient P with at least the part of the body on which the intervention is to take place is stored in the form of magnetic resonance imaging (MRI) or computed tomography (CT).
  • MRI magnetic resonance imaging
  • CT computed tomography
  • This data supply unit provides these 3D recording data 3DA digitally or in computer-readable form.
  • a tracking system 26 is also required, which in this embodiment is designed as a surgical navigation system with optical three-dimensional recognition.
  • the tracking system 26 is adapted to spatially detect the optical recording unit 14, in particular a head of the optical recording unit, and to track it in space.
  • the tracking system 26 is further adapted to spatially acquire the fixed head of the patient P indirectly via acquisition of the patient fixation system 2 with predefined points of contact to the patient P's head and forward determination accordingly.
  • a relation of the head of the patient P to the patient fixation unit 2 can also be specified.
  • a specially adapted control unit 30 can correlate the preoperative 3D recording data 3DA with the head of the patient P and thus with the patient P, so that the real world with the virtual world, in particular the real recordings can be carried out with the virtual preoperative recordings and is provided to the surgeon for navigation during the intervention using the surgical robot system 1.
  • the surgical robotic system 1 is specially configured to determine the position and orientation, i.e. the position, of the end effector tips 18, here the instrument tips 20, and to determine these instrument tips in an overlay or overlay display with, on the one hand, the 3D recording data 3DA of the surgical area and on the other hand to generate an overlaid superimposition in the correct position and to output it visually together by a display device 32 in the form of an operating room monitor.
  • the surgeon is given a particularly advantageous navigation with the possibility of a corresponding control.
  • the overlay display can be duplicated as desired, the surgeon can put on 3D glasses, in which the overlay display is displayed three-dimensionally, and control the robot 4 on the basis of his visual display while sitting on an external console with input devices far away from the surgical area.
  • the overlay can be used by the control unit 30 to control the instrument semi-autonomously or autonomously according to an intervention plan.
  • the possibility of telemedicine is created with the present surgical robot system.
  • the patient fixation unit 2 is firmly connected to an operating table 34 in order to ensure the necessary stability.
  • the optical recording unit 14 in the form of the surgical microscope has a terminal microscope head 36, which the optical system and the Includes recording sensor, and can be set via a multi-part robot-guided microscope arm 38 with multiple microscope arm segments 39 to maneuver during the operation in predetermined positions and to have the best possible view.
  • the surgical microscope can move around a focus point in this way in order to enable different views.
  • the microscope arm 38 is pivoted to a mobile trolley 40 which can be positioned at different locations in an operating room depending on the needs of a procedure.
  • a passive optical marker 42 in the form of a rigid body with a plurality (in particular four) spaced-apart IR marker spheres is arranged on its housing.
  • a stereo camera 44 of the tracking system 26 captures this marker 42 and can use it to capture a position in space relative to the stereo camera 44 .
  • an optical marker 42 with IR marking balls is attached to the last segment of the robot arm 2, i.e. immediately adjacent to the instrument 12, so that the stereo camera can also see the position of the last segment of the robot arm 2 and, due to the predefined relationship to the instrument 12, also can determine the position of the instrument 12 and an instrument tip 20 respectively.
  • a corresponding marker 42 is also provided on the patient fixation unit 2 . The position and orientation of the instrument tip 20 is then correlated by the control unit 30 in accordance with the 3D close-up data 3DA.
  • the data supply unit 22, the memory unit 24 and the control unit 30 are integrated in the trolley, but it is of course also possible to connect the surgical robot system 1 to a specially adapted computing unit via a local network connection, which is both decentralized and can be provided centrally.
  • the patient fixation system 2 has a U-shaped frame 48 with two opposite legs, on which adjustable fixation pins 46 are provided, each facing one another, which can be screwed in towards one another in order to reduce the distance between the fixation pins 46 and clamp the head of the patient P between them accordingly.
  • a single protruding bolt-like fixing pin 46 with a front tip is provided, while on the opposite side there is a arc in the shape of a segment of a circle with at least two fixing pins 46 aligned radially inwards, the arc translationally inward via a screw thread towards the head and outwards away from the head and can be adjusted.
  • the patient fixation unit 2 with the three fixation pins 46 can be adapted to different head sizes.
  • the three fixation pins 46 allow the position of the head of the patient P to be fixed in relation to the fixation unit 2, without underdetermination or overdetermination.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a surgical robot system 1 according to a further, second embodiment and FIG. 3 shows a detailed partial view of the corresponding surgical area.
  • This embodiment differs from the first embodiment in the configuration for determining the position and orientation of the instrument tip 20 and in the connection of the robot 4 to the patient fixation unit 2.
  • the patient fixation unit 2 has, on its U-shaped frame 48 on an upper side as viewed in FIG.
  • the robot base 6 in this embodiment is designed as a carriage 52 which geometrically encompasses the rail 50 and can be guided along the longitudinal axis of the rail 50 .
  • the position of the robot base 6 relative to the patient fixation unit 2 can be changed and easily adjusted for an intervention.
  • the robot base 6 also has a clamping and latching element 54 which is adapted to clamp the carriage 54 resiliently relative to the rail 50 on the one hand and to additionally fix it via a latching mechanism on the other.
  • the clamping and latching element 54 can be designed in the form of an actuating button, so that when this actuating button is pressed, the carriage 54 can slide along the rail 50 and when the actuating button is released, it springs elastically into its Starting position is pushed back, in which this clamps the carriage 54 to the rail 50 and locked with it.
  • the robot base 6 can be designed so that it can be coupled and decoupled, so that it can be coupled to the rail 50 and, if necessary, also decoupled again. In this way, the number of robots 4 connected to the patient fixation unit 2 can be adapted to the intervention as required.
  • the surgical robot system 1 has two robots 4, similar to the first embodiment. Also, in an embodiment not shown, a motor is installed in the robot base to actively move the carriages 52 on the circular rail.
  • the position of the instrument tip 20 is determined by machine vision, as explained below.
  • the KOS of the patient P is known to the control unit 30 and, on the other hand, the KOS of the trolley 40 of the surgical microscope is known. Based on the KOS of the trolley 40, the control unit 30 can determine the KOS of the microscope head 36 with the recording sensor via kinematic relations.
  • the microscope head 36 itself optically detects the instrument tip 20 of the instrument 12 via the optical recording A, and the control unit 30 is adapted to determine a position and an orientation of this instrument tip 20 via machine vision, even if only a 2D recording is provided.
  • This has the advantage that an instrument tip can be determined particularly precisely and localized in relation to the 3D recording data 3DA. Furthermore, this configuration has the advantage that no optical markers have to be provided in the intervention area, which is already cramped.
  • Fig. 3 shows a schematic, detailed partial view of Fig. 2 with the microscope head 36 on the one hand and the instrument 12 on the other.
  • the cylindrical surgical instrument 12 has concentric optical rings 62 spaced along its longitudinal axis , which are arranged in a specific pattern to one another and constitute an optical marking pattern/marking element 60 for determination.
  • the control unit 30 can determine the position and orientation in the recording A even more precisely on the basis of the predefined optical pattern. If the instrument tip 20 is immersed in tissue of the patient, is covered by the tissue and is therefore not optically visible, the control unit 30 can still deduce the tip of the instrument 12 on the basis of the optical marking elements 60 .
  • the robotic microscope head 36 can also be adapted to perform a small movement itself in order to create different views of the instrument 12 in order to further determine the position and orientation using computer vision.
  • small robots 4 with robot arms 8 are attached directly to a head mount system or patient fixation unit 2, which ensures a rigid connection between the robot base 6 and the patient P.
  • the robotic arms 8 have five to seven degrees of freedom to orient the surgical instruments 12 within the surgical approach, particularly via a port in neurosurgery.
  • the surgical instruments 12 themselves can have further degrees of freedom, for example in order to realize a curved tip that can move in the patient P's body.
  • the surgical robot system 1 is combined with or has an optical imaging system such as an operating microscope.
  • a tracking system 26, in particular a navigation system 28, is then used to track the patient P and the surgical microscope, for example using rigid bodies as optical markers, which are attached on the one hand to the patient fixation unit 2 (on the head holder) and on the other hand to the housing of the microscope head 36.
  • the surgical instrument 12 is also tracked, either directly by attaching another rigid body as an optical marker to the robotic end effector or by performing a machine vision procedure. In the case of machine vision based on image processing, no rigid bodies are required on the robot or on the instrument 12 . Instead, the instrument tip 20, which is visible in the field of view of the optical imaging system 14, is provided with an optical pattern, in particular with rings, dots,
  • FIG. 4 shows a flow chart of a control method according to a preferred embodiment.
  • This control method can also be stored in a computer-readable storage medium in the form of instructions, which can be used in the robotic surgical system 1 of the first or second embodiment.
  • a control method uses an optical recording device 14 to create an optical recording A of an intervention area of the patient P together with an end effector tip 18 of a robot-guided end effector 10.
  • the robot 4 is connected directly to a patient fixation unit 2 .
  • the optical recording A is provided in a computer-readable manner in accordance with a control unit 30 .
  • control unit 30 is also provided with digital 3D recording data 3DA of the patient P. This means that both real and virtual digital recordings of the patient p are available.
  • the optical recording unit 14 is then tracked directly by a tracking system 26, as well as a body section of the patient P, which is fixed relative to the patient fixation unit 2, via the patient fixation unit with a predetermined relation to the body section, in particular to a head of the patient. determined once or continuously in relation to the tracking system in space, so that a correlation of the virtual world (3D recording data) and the real world (optical recording; patient and other tracked objects) can be carried out.
  • the control unit 30 determines a position and orientation of the instrument tip (20) relative to the recording unit (14) by machine vision.
  • a correlation or overlay is determined or created with both the 3D close-up data on the one hand and the correct position and orientation of the instrument tip 20 on the other.
  • a step S5 the overlay U is output as an overlay display by the surgical monitor in order to provide visual support to a user, and the instrument 10 is also semi-autonomously controlled on the basis of the overlay U.
  • an intervention plan has been determined before the operation and individual successive steps of this intervention plan have been defined in advance.
  • the surgeon can confirm a first step of the control via a control console that is spaced apart from the robot, so that the instrument 12 independently carries out this first step.
  • the surgeon can check the correct execution and, if necessary, carry out a local correction manually with a hand instrument, for example, and proceed to the next step of controlling the instrument 12 by means of a confirmation input.
  • the intervention can finally be carried out, similar to a discrete, staged procedure.
  • the position and orientation of the instrument tip is continuously determined and used for appropriate control.

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Abstract

The present disclosure relates to a surgical robot system (1) for a surgical procedure on a patient (P), comprising: at least one patient fixation unit (2) adapted to be rigidly and directly attached to the patient (P), in particular to the head of a patient (P), in order to rigidly fix at least one body part of the patient (P), with the site of the surgery, relative to the patient fixation unit (2); and at least one controllable surgical robot (4) having a robot base (6) directly connected to the patient fixation unit (2), as well as a mobile robot arm (8), which is fastened to the robot base (6), and an end effector (10), in particular a surgical instrument (12), which is fastened to, in particular mounted on, the robot arm (8), in particular at an end of the robot arm (8). In addition, the present disclosure relates to a control method and to a computer-readable storage medium according to the additional independent claims.

Description

Chirurgisches Robotersystem und Steuerverfahren Robotic surgical system and control method

Beschreibung Description

Technisches Gebiet technical field

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein chirurgisches Robotersystem für einen chirurgischen Eingriff bei einem Patienten, bei dem ein gesteuerter Endeffektor beim Eingriff mitwirkt. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung ein Steuerverfahren/ Assistenzverfahren sowie ein computerlesbares Speichermedium gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche. The present disclosure relates to a robotic surgical system for surgical intervention in a patient in which a controlled end effector assists in the intervention. Furthermore, the present disclosure relates to a control method/assistance method and a computer-readable storage medium according to the preamble of the independent claims.

Technischer Hintergrund Technical background

Robotergestützte chirurgische Systeme für eine Assistenz eines chirurgischen Eingriffs sind insbesondere im Bereich der laparoskopischen Chirurgie weit verbreitet. Ebenfalls werden chirurgische Roboter oder Robotersysteme mehr und mehr in der Neuro-Chirurgie, der Wirbelsäulen-Chirurgie und der HNO-Chirurgie eingesetzt. Ein Nachteil der aktuellen Robotersysteme ist jedoch, dass es sich fast ausschließlich um boden montierte Robotersystem, in Ausnahmefällen auch Decken montierte Robotersysteme, handelt, deren Konfiguration sich nachteilig auf eine Aktuierung eines eingesetzten Endeffektors auswirken. Bodenmontiert bzw. Deckenmontiert bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die lokale Anbindung des Roboters an das raumfeste System und damit zu dem Patienten mit entsprechendem Eingriffsbereich, über den Boden bzw. über die Decke des Operationssaals erfolgt. Bei den bodenmontierten Robotersystemen sind etwa mobile Einheiten bekannt, welche im Operationssaal an verschiedenen Stellen gegenüber dem Operationstisch, auf welchem der Patient liegt, platziert werden können, um verschiedene relative Anordnungen zu diesem zu realisieren. Robot-assisted surgical systems for assisting a surgical intervention are widespread, particularly in the field of laparoscopic surgery. Surgical robots or robot systems are also being used more and more in neurosurgery, spinal surgery and ENT surgery. A disadvantage of the current robot systems, however, is that they are almost exclusively floor-mounted robot systems, and in exceptional cases also ceiling-mounted robot systems, the configuration of which has a disadvantageous effect on the actuation of an end effector that is used. In this context, floor-mounted or ceiling-mounted means that the robot is locally connected to the room-fixed system and thus to the patient with the corresponding intervention area, via the floor or via the ceiling of the operating room. In the case of floor-mounted robot systems, mobile units are known, for example, which can be placed in the operating room at different points in relation to the operating table on which the patient is lying, in order to realize different arrangements relative thereto.

Ein entscheidender Nachteil dieser Robotersysteme ist jedoch, dass dieA major disadvantage of these robotic systems, however, is that the

Genauigkeit aufgrund von unvermeidlichen Bewegungen zwischen der Roboterbasis des Roboters und dem Patienten stark begrenzt ist und oftmals die Mindestanforderungen an die Präzision nicht erfüllen. Je weiter/ länger die geometrische, direkte Verbindung (mit entsprechendem Kraftfluss) zwischen dem Patienten einerseits und dem Roboter-Endeffektor andererseits ist, desto höher wird diese Ungenauigkeit aufgrund von beispielsweise elastischen Auslenkungen, einer Unschärfe hinsichtlich einer berechneten Positionen und weiteren nachteiligen Einflussgrößen. Zwar wurden Lösungen eines Robotersystems bzw. eines Roboters entwickelt, welche an einen Operationstisch befestigt werden können, jedoch sind diese Lösungen nur begrenzt für einen Eingriff geeignet, da weiterhin zumindest die Ungenauigkeit aufgrund einer Patientenbewegung verbleibt und aufgrund einer unzureichenden Befestigung an dem Operationstisch. Accuracy due to inevitable movements between the robot base of the robot and the patient is severely limited and often does not meet the minimum requirements for precision. The further/longer the geometric, direct connection (with the corresponding flow of forces) between the patient on the one hand and the robot end effector on the other hand, the greater this inaccuracy due to, for example, elastic deflections, a lack of clarity with regard to a calculated position and other disadvantageous influencing factors. Although solutions of a robot system or a robot have been developed which can be attached to an operating table, these solutions are only suitable for an intervention to a limited extent, since at least the inaccuracy remains due to patient movement and insufficient attachment to the operating table.

Im Stand der Technik gibt es daher auch boden montierte Robotersysteme, die zunächst positioniert werden und dann eine zusätzliche starre Referenz-Verbindung zwischen der Roboterbasis und einem Kopfhalter des Patienten herstellen, um eine Genauigkeit weiter zu erhöhen. Jedoch sind solche bodenmontierten Robotersysteme komplex, teuer in der Produktion und nehmen ferner einen großen Bereich im Operationssaal ein. Ferner verbleibt ein weiter Weg eines Kraftflusses. Insbesondere führen diese Roboter lediglich eine Trajektorie, beispielsweise um eine Biopsie zu platzieren, während der Chirurg das Instrument weiterhin manuell bewegt. Aus Stand der Technik sind zwar auch Robotersysteme bekannt, mit denen in der Neurochirurgie Instrumente ferngesteuert bewegt werden können, jedoch sind diese System unvorteilhafter Weise auf dem Boden montiert, mit einhergehendem Präzisionsverlust, und zudem ist eine Verfolgung einer Position des im Eingriff eingesetzte Instruments nicht möglich. Ferner sind Robotersysteme bekannt, die eine Position eines Instruments mit Hilfe eines (Standard-)Navigationssystems verfolgen, das beispielsweise ein optisches Tracking mitels eines starren Körpers oder ein elektromagnetisches Tracking (EM-T racking) verwendet. Die Befestigung eines starren Körpers am Instrument selber verschlechtert jedoch dessen Ergonomie und erhöht ein Arbeitsvolumen. Ferner hat ein EM-System den Nachteil von Verzerrungen durch Geräte, welche elektromagnetische Strahlung ähnlicher Wellenlänge emittieren. Diese EM-Strahlung kann beispielsweise durch Roboter selbst erzeugt sein, der letztlich einen negativen Einfluss hat und eine Verfolgungsgenauigkeit beeinträchtigt. Zusammenfassung der Erfindung Therefore, in the prior art there are also floor-mounted robot systems that are first positioned and then create an additional rigid reference connection between the robot base and a head holder of the patient in order to further increase accuracy. However, such floor-mounted robotic systems are complex, expensive to produce, and also take up a large area in the operating room. Furthermore, a long way of a power flow remains. In particular, these robots only guide a trajectory, for example to place a biopsy, while the surgeon continues to move the instrument manually. Although robot systems are also known from the prior art, with which instruments can be moved by remote control in neurosurgery, these systems are disadvantageously mounted on the floor, with an associated loss of precision, and it is also not possible to track a position of the instrument used in the intervention . Furthermore, robotic systems are known which track a position of an instrument with the aid of a (standard) navigation system which uses, for example, optical tracking by means of a rigid body or electromagnetic tracking (EM tracking). However, attaching a rigid body to the instrument itself degrades its ergonomics and increases a working volume. Furthermore, an EM system has the disadvantage of distortions from devices that emit electromagnetic radiation of similar wavelengths. This EM radiation can be generated by robots themselves, for example, which ultimately has a negative impact and impairs tracking accuracy. Summary of the Invention

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, die Probleme aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder zumindest zu mindern und insbesondere ein chirurgisches Robotersystem zur Verfügung zu stellen, das bei einem Eingriff eine besonders hohe Präzision eines gesteuerten Endeffektors bereitstellt sowie sicher und einfach zu bedienen ist. Auch soll eine Verbesserung bzw. Verkürzung einer Operationszeit erzielt und dem Nutzer, insbesondere Chirurgen, ein hoher Bedienkomfort bereitgestellt werden. Zudem kann eine Teilaufgabe darin gesehen werden, die Konfiguration einfach und modular zu gestalten und eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen. Eine weitere Teilaufgabe liegt darin, einen Roboter noch besser und flexibler gegenüber einem Eingriffsbereich platzieren und ausrichten zu können, um den Eingriff noch besser und einfacher durchführen zu können. It is therefore the object of the present disclosure to avoid or at least reduce the problems from the prior art and in particular to provide a surgical robot system that provides a particularly high precision of a controlled end effector during an intervention and is safe and easy to operate is. An improvement or shortening of an operation time should also be achieved and the user, in particular surgeons, should be provided with a high level of operating convenience. In addition, a subtask can be seen as making the configuration simple and modular and enabling cost-effective production. Another sub-task is to be able to place and align a robot even better and more flexibly in relation to an intervention area in order to be able to carry out the intervention even better and more easily.

Die Aufgaben der vorliegenden Offenbarung werden hinsichtlich eines gattungsgemäßen chirurgischen Robotersystems erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich eines gattungsgemäßen (Roboter-) Steuerverfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst und hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermediums erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. The objects of the present disclosure are achieved according to the invention with regard to a generic surgical robot system by the features of claim 1, with regard to a generic (robot) control method according to the invention by the features of claim 14 and with regard to a computer-readable storage medium according to the invention by the features of claim 15.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Offenbarung kann darin gesehen werden, dass eine geometrische Rahmenstruktur/ Fixierungsstruktur (Patientenfixierungseinheit) unmittelbar und direkt mit dem Körperteil des Patienten verbunden wird, an dem der chirurgische Eingriff stattfindet und insbesondere starr relativ gegenüber einem Abschnitt des menschlichen Skelets statisch befestigt ist. Auf diese Wiese wird bei einer Bewegung des Patienten eine relative Transformation zwischen einem lokalen Koordinatensystem (KOS) des Patienten bzw. dem Eingriffsbereich am Patienten einerseits und einem lokalen KOS der Patientenfixierungsstruktur andererseits nicht oder nur minimalst geändert und bleibt selbst bei einer Bewegung des fixierten Körperabschnitts des Patienten statisch erhalten. Der chirurgische Roboter wiederum ist direkt an diese geometrische Fixierungsstruktur über seine Roboterbasis befestigt oder angekoppelt, so dass auch eine relative Transformation zwischen dem Patienten mit dem Eingriffsbereich und der Roboterbasis konstant gehalten wird und sich bei etwa einer Verschiebung des Patienten auf dem Operationstisch nicht ändert. Diese spezielle Konfiguration erhöht eine Präzision beim Eingriff deutlich. Es wird also kein bodengestützter Roboter, kein deckengestützter Roboter und auch kein Tischgestützter Roboter eingesetzt, sondern gewissermaßen ein Patientengestützter Roboter, um eine direkte Verbindung mit dem Patienten herzustellen, ohne etwa über den Operationstisch selbst gehen zu müssen. Es wird also als Referenz für das lokale Koordinatensystem des Roboters bzw. der Roboterbasis nicht der Boden oder der Tisch herangezogen, sondern (über das Patientenfixierungssystem) der Patient bzw. der zu fixierende Körperabschnitt des Patienten selbst. A basic idea of the present disclosure can be seen in the fact that a geometric frame structure/fixation structure (patient fixation unit) is connected immediately and directly to the body part of the patient on which the surgical intervention takes place and is in particular rigidly statically fixed relative to a section of the human skeleton. In this way, when the patient moves, a relative transformation between a local coordinate system (KOS) of the patient or the surgical area on the patient on the one hand and a local KOS of the patient fixation structure on the other hand is not changed or only minimally changed and remains the same even when the fixed body section of the patient moves Maintain patient static. The surgical robot, in turn, is attached directly to this geometric fixation structure via its robotic base or coupled, so that a relative transformation between the patient with the surgical area and the robot base is kept constant and does not change when the patient is displaced on the operating table. This special configuration significantly increases precision during the intervention. So no floor-based robot, no ceiling-based robot and also no table-based robot is used, but to a certain extent a patient-supported robot in order to establish a direct connection with the patient without having to go over the operating table itself. It is therefore not the floor or the table that is used as a reference for the local coordinate system of the robot or the robot base, but (via the patient fixation system) the patient or the part of the patient’s body to be fixed.

Mit anderen Worten wird ein chirurgisches Robotersystem für einen chirurgischen Eingriff bei einem Patienten offenbart, das aufweist: zumindest eine Patientenfixierungseinheit, die dafür angepasst ist, starr und unmittelbar an/ mit dem Patienten, insbesondere an einem Kopf eines Patienten, verbunden/ befestigt zu werden, um zumindest einen Körperabschnitt des Patienten mit einem Eingriffsbereich starr gegenüber der Patientenfixierungseinheit zu fixieren; zumindest einen chirurgischen Roboter, der eine Roboterbasis hat, wobei die Roboterbasis direkt und unmittelbar mit der Patientenfixierungseinheit verbunden ist, insbesondere befestigt oder gekoppelt ist, sowie einen an die Roboterbasis angebundenen beweglichen Roboterarm hat und einen an den Roboterarm, insbesondere an einer end ständigen Seite des Roboterarms, angebundenen, insbesondere gelagerten, Endeffektor, insbesondere ein chirurgisches Instrument hat. Dieses Robotersystem erlaubt eine besonders präzise und intuitive Steuerung eines Endeffektors. Als Endeffektor kann bei dem chirurgischen Robotersystem beispielsweise ein Instrument oder ein Aufnahmegerät wie etwa eine Kamera eingesetzt werden. In other words, a surgical robotic system for a surgical procedure on a patient is disclosed, comprising: at least one patient fixation unit adapted to be rigidly and directly connected/attached to the patient, in particular to a patient's head, to rigidly fix at least a portion of the patient's body with an engagement area relative to the patient fixation unit; at least one surgical robot that has a robot base, the robot base being connected directly and immediately to the patient fixation unit, in particular being fastened or coupled, and having a movable robot arm connected to the robot base and a robot arm attached to the robot arm, in particular on one end side of the Robotic arm, connected, in particular mounted, end effector, in particular a surgical instrument. This robot system allows a particularly precise and intuitive control of an end effector. For example, an instrument or a recording device such as a camera can be used as an end effector in the surgical robot system.

Eine direkte Verbindung meint in diesem Zusammenhang, dass die unmittelbare (serielle) geometrische Anbindung des zumindest einen chirurgischen Roboters direkt an die Patientenfixierungseinheit erfolgt, und diese Anbindung unabhängig von einer Anbindung an ein Objekt des Operationssaals, wie etwa einem Operationstisch oder einem Fußboden ist. Zwar kann die Patientenfixierungseinheit zusätzlich noch mit dem Operationstisch verbunden werden, um eine weitere Stabilisierung zu erreichen, jedoch verläuft die (serielle, kürzeste) Verbindung zwischen dem Patienten und dem Endeffektor nicht über den Operationstisch und auch nicht über ein bodengestütztes System, sondern direkt und einzig über die Patientenfixierungseinheit Auf diese Weise kann ein direkter Weg zwischen dem Endeffektor und dem Patienten besonders kurz gehalten werden und in Folge die Präzision und auch die Steuerung verbessert werden. In this context, a direct connection means that the immediate (serial) geometric connection of the at least one surgical robot to the patient fixation unit takes place, and this connection is independent of a connection to an object in the operating room, such as an operating table or a floor. Although the patient fixation unit can also with the be connected to the operating table in order to achieve further stabilization, however, the (serial, shortest) connection between the patient and the end effector does not run via the operating table or via a floor-based system, but directly and solely via the patient fixation unit. In this way, a direct path between the end effector and the patient can be kept particularly short and as a result the precision and also the control can be improved.

Mit noch anderen Worten betrifft die vorliegende Offenbarung ein miniaturisiertes chirurgisches Robotersystem für die minimalinvasive Chirurgie, bei dem zumindest ein Roboter direkt an ein Patientenfixierungssystem mit einer Patientenfixierungseinheit gekoppelt/ verbunden/ angeschlossen ist, wobei der eine Roboter mit einem Roboterarm oder auch mehrere Roboter mit jeweiligen Roboterarmen direkt an die Patientenfixierungseinheit selbst angebunden ist bzw. sind. Dir Roboterarme führen jeweils die Endeffektoren, insbesondere chirurgische Instrumente und/oder Visualisierungsgeräte. Mit noch ganz anderen Worten wird also ein chirurgisches Robotersystem für die minimalinvasive Chirurgie vorgeschlagen, bei dem zumindest ein Roboter mit einem Roboterarm, insbesondere zwei Roboter, direkt an einer Patientenfixierungseinheit angebracht ist und über den Roboterarm den zumindest einen Endeffektor, insbesondere die chirurgischen Instrumente und/oder Visualisierungsgeräte, führen. In other words, the present disclosure relates to a miniaturized surgical robotic system for minimally invasive surgery, in which at least one robot is directly coupled/connected/connected to a patient fixation system with a patient fixation unit, one robot with a robot arm or multiple robots with respective robot arms is or are directly connected to the patient fixation unit itself. The robot arms each guide the end effectors, in particular surgical instruments and/or visualization devices. In other words, a surgical robot system for minimally invasive surgery is proposed, in which at least one robot with a robot arm, in particular two robots, is attached directly to a patient fixation unit and via the robot arm the at least one end effector, in particular the surgical instruments and/or or visualization devices.

Aufgrund der speziellen Konfiguration können die Roboter mit den Roboterarmen besonders platzsparend und bautechnisch klein gestaltet werden und dennoch eine hervorragende Präzision bei einem Einsatz liefern. Auch kann eine besonders gute Artikulation sichergestellt werden, da der Anbindungspunkt der Roboterbasis besonders nahe an den Eingriffsbereich heranrückt. Due to the special configuration, the robots with the robot arms can be designed to be particularly space-saving and structurally small and still deliver excellent precision during use. A particularly good articulation can also be ensured since the connection point of the robot base is particularly close to the intervention area.

Die Vorteile der vorliegenden Offenbarung liegen also in der Verbesserung der Präzision, einer Verkürzung der Operationszeit aufgrund eines einfacheren und schnelleren Eingriffs und einer Erhöhung eines Bedienungskomforts für einen Chirurgen in der Minimalchirurgie, insbesondere in den Bereichen der Neuro-, Wirbelsäulen- und HNO-Chirurgie. Die Instrumente müssen nicht manuell geführt werden, sondern die Bewegungen werden von einem Roboter ausgeführt, der damit einen Telemanipulationsansatz eröffnet. Die hier vorgestellte Offenbarung ist damit das erste chirurgische Robotersystem, das eine Roboter-Teleoperation in der Neuro-, Wirbelsäulen- und HNO-Chirurgie mit miniaturisierten Roboterarmen ermöglicht, die durch einen sehr kleinen Port arbeiten. The advantages of the present disclosure therefore lie in the improvement in precision, a reduction in operating time due to a simpler and faster intervention and an increase in operating comfort for a surgeon in minimal surgery, in particular in the fields of neuro, spinal and ENT surgery. The instruments do not have to be guided manually, but the movements are carried out by a robot that uses them Telemanipulation approach opened. The disclosure presented here is thus the first robotic surgical system that enables robotic telesurgery in neuro, spine and ENT surgery with miniaturized robotic arms working through a very small port.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden insbesondere nachfolgend erläutert. Advantageous embodiments are claimed in the dependent claims and are explained in particular below.

Gemäß einer Ausführungsform kann das chirurgische Robotersystem ferner aufweisen: zumindest eine optische Aufnahmeeinheit, die dafür angepasst ist, eine optische Aufnahme des Eingriffsbereichs, insbesondere mit einem intrakorporalen Gewebe des Patienten, und einer Endeffektorspitze, insbesondere einer Instrumentenspitze, im Sichtfeld der Aufnahmeeinheit zu erstellen und computerlesbar /digital bereitzustellen; einer Datenbereitstellungseinheit, insbesondere einer Speichereinheit, welche dafür angepasst ist, digitale 3D-Aufnahmedaten, insbesondere präoperative 3D-Aufnahmedaten wie einer Computertomografie oder einer Magnetresonanztomografie, des Patienten bereitzu stellen; einem Trackingsystem, insbesondere einem chirurgischen Navigationssystem, welches dafür vorgesehen und angepasst ist, zumindest die optische Aufnahmeeinheit und zumindest direkt oder indirekt den Körperanschnitt des Patienten, der gegenüber der Patientenfixierungseinheit fixiert ist, zu erfassen und im Raum na chzu verfolgen; und einer Steuereinheit, welche dafür vorgesehen und angepasst ist, eine Position, insbesondere eine Position und Orientierung (also einer Lage), der Endeffektorspitze, insbesondere der Instrumentenspitze, zu bestimmen und eine Überlagerung mit den 3D-Aufnahmedaten einerseits und der positionskorrekten überlagerten Position, insbesondere lagekorrekten überlagerten Position und Orientierung, der Endeffektorspitze andererseits zu erzeugen und durch eine Anzeigevorrichtung visuell auszugeben und/oder den Endeffektor auf Basis der Überlagerung zu steuern. Das Trackingsystem verfolgt also einerseits die Aufnahmeeinheit und ermittelt eine Transformation zwischen dem KOS des Trackingsystems und der Aufnahmeeinheit und zum anderen ermittelt das Trackingsystem eine Transformation zwischen KOS (dem Eingriffsbereich) des Patienten und dem KOS des Trackingsystems, so dass hierüber eine Transformation zwischen der Aufnahmeeinheit und dem Patienten bestimmt werden kann. Zudem ist das chirurgische Robotersystem dafür angepasst, die Position, insbesondere die Lage, von zumindest der Endeffektorspitze, insbesondere Instrumentenspitze, zu bestimmen, und damit eine genaue Transformation zwischen der Position bzw. Lage der Endeffektorspitze und dem Patienten zu bestimmen. Über den Patienten können die 3D-Aufnahmedaten der virtuellen Welt mit der realen Welt des Patienten korreliert werden, so dass eine Überlagerung von den 3D- Aufnahmedaten einerseits und der positionskorrekten, insbesondere lagekorrekten, Integration von zumindest der Endeffektorspitze andererseits erfolgt. Auf Basis dieser Überlagerung kann eine visuelle Assistenz in Form einer angezeigten Überlagerungsdarstellung erfolgen, in der in den 3D-Aufnahmedaten zumindest die Position der Endeffektorspitze eingeblendet ist oder eine (teiltransparente) Überlagerungsdarstellung oder Nebeneinanderdarstellung von realer Aufnahme und einer entsprechenden Ansicht der 3D-Aufnahmedaten ausgegeben wird, oder auf Basis der Überlagerung eine Steuerung des Endeffektors (über etwa Kinematikmodelle) beispielsweise entlang einer vordefinierten Trajektorie erfolgen. Der Begriff „Position“ meint eine geometrische Position im dreidimensionalen Raum, der insbesondere mittels Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems angegeben wird. Insbesondere kann die Position durch die drei Koordinaten X, Y und Z angegeben werden. Der Begriff „Orientierung“ wiederum gibt eine Ausrichtung (etwa an der Position) im Raum an. Man kann auch sagen, dass durch die Orientierung eine Ausrichtung angegeben wird mit Richtungs- bzw. Drehungsangabe im dreidimensionalen Raum. Insbesondere kann die Orientierung mitels drei Winkeln angegeben werden. Der Begriff „Lage“ umfasst sowohl eine Position als auch eine Orientierung. Insbesondere kann die Lage mitels sechs Koordinaten angegeben werden, drei Positionskoordinaten X, Y und Z sowie drei Winkelkoordinaten für die Orientierung. Der Begriff 3D definiert vorliegend, dass die Aufnahmedaten räumlich, also dreidimensional vorliegen. Der Körper des Patienten oder zumindest ein Teilbereich des Körpers mit räumlicher Ausdehnung kann in einem dreidimensionalen Raum mit etwa einem kartesischen Koordinatensystem (X, Y, Z) digital als Aufnahmedaten vorliegen. Mit anderen Worten wird das chirurgische Robotersystem vorzugweise mit einem optischen Bildgebungssystem (Aufnahmeeinheit) gekoppelt, um die Endeffektoren, insbesondere Instrumente, zu visualisieren und zu erfassen, die am Gewebe des Patienten im Eingriffsbereich arbeiten. Dies ermöglicht, die Position, insbesondere die Lage, des Endeffektors, insbesondere Instruments, zu verfolgen und seine Position, insbesondere Lage, auf einen, insbesondere präoperativen, 3D-Datensatz (3D Aufnahmedaten) wie einer Computertomografie (CT) oder einer Magnetresonanztomografie (MRT) zu überlagern, um den Chirurgen entsprechend visuell zu assistieren oder einen präoperativen Eingriffsplan abzufahren. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit die Endeffektorlokalisierung, insbesondere Instrumentenlokalisierung, dazu verwenden, um die Position, insbesondere Lage, des Endeffektors, insbesondere Instruments, in einem präoperativen 3D-Datensatz wie einem MR oder CT zu überlagern, um dem Chirurgen eine Assistenz bereitzustellen. According to one embodiment, the surgical robot system can also have: at least one optical recording unit, which is adapted to create an optical recording of the surgical area, in particular with an intracorporeal tissue of the patient, and an end effector tip, in particular an instrument tip, in the field of view of the recording unit and computer-readable /to provide digitally; a data supply unit, in particular a storage unit, which is adapted to provide digital 3D image data, in particular preoperative 3D image data such as computed tomography or magnetic resonance imaging, of the patient; a tracking system, in particular a surgical navigation system, which is provided and adapted to record at least the optical recording unit and at least directly or indirectly the body section of the patient, which is fixed in relation to the patient fixation unit, and to track it in space; and a control unit, which is provided and adapted to determine a position, in particular a position and orientation (i.e. a position), of the end effector tip, in particular the instrument tip, and a superimposition with the 3D recording data on the one hand and the correctly positioned superimposed position, in particular position-correct superimposed position and orientation, to generate the end effector tip on the other hand and output visually through a display device and / or to control the end effector on the basis of the overlay. On the one hand, the tracking system tracks the recording unit and determines a transformation between the KOS of the tracking system and the recording unit, and on the other hand, the tracking system determines a transformation between the KOS (the intervention area) of the patient and the KOS of the tracking system, so that a transformation between the recording unit and intended for the patient can be. In addition, the surgical robotic system is adapted to determine the position, in particular the position, of at least the end effector tip, in particular the instrument tip, and thus to determine an exact transformation between the position or position of the end effector tip and the patient. The 3D recording data of the virtual world can be correlated with the real world of the patient via the patient, so that the 3D recording data is superimposed on the one hand and the correctly positioned, in particular correctly positioned, integration of at least the end effector tip on the other hand. Based on this overlay, visual assistance can be provided in the form of an overlay display, in which at least the position of the end effector tip is shown in the 3D image data, or a (partially transparent) overlay display or side-by-side display of the real image and a corresponding view of the 3D image data is output , or based on the superimposition, the end effector can be controlled (via kinematic models, for example) along a predefined trajectory, for example. The term "position" means a geometric position in three-dimensional space, which is specified in particular by means of coordinates of a Cartesian coordinate system. In particular, the position can be given by the three coordinates X, Y and Z. The term "orientation" in turn indicates an alignment (e.g. at the position) in space. One can also say that the orientation indicates an orientation with indication of direction or rotation in three-dimensional space. In particular, the orientation can be specified using three angles. The term "position" includes both a position and an orientation. In particular, the location can be specified using six coordinates, three position coordinates X, Y and Z and three angular coordinates for orientation. In the present case, the term 3D defines that the recording data is spatial, ie three-dimensional. The patient's body or at least a partial area of the body with spatial extent can be present digitally as recording data in a three-dimensional space with approximately a Cartesian coordinate system (X, Y, Z). In other words, the surgical robotic system is preferably coupled to an optical imaging system (recording unit) in order to visualize and record the end effectors, in particular instruments, that work on the patient's tissue in the surgical area. This enables the position, in particular the location, of the end effector in particular instruments, and to superimpose its position, in particular position, on a, in particular pre-operative, 3D data set (3D recording data) such as computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) in order to visually assist the surgeon accordingly or a pre-operative carry out the intervention plan. In other words, the control unit can use the end effector localization, in particular instrument localization, to superimpose the position, in particular position, of the end effector, in particular instrument, in a preoperative 3D data set such as an MR or CT in order to provide the surgeon with assistance.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, über die optische Aufnahme der Endeffektorspitze, die Position, insbesondere die Position und Orientierung (also der Lage), der Endeffektorspitze, insbesondere der Instrumentenspitze, gegenüber der Aufnahmeeinheit durch maschinelles Sehen zu bestimmen, und über die nachverfolgte Position und Orientierung der optischen Aufnahmeeinheit die Position, insbesondere Lage, der Endeffektorspitze gegenüber den 3D-Aufnahmedaten zu bestimmen. Mit anderen Worten kann der Endeffektor, insbesondere das Instrument, vorzugsweise im Raum lokalisiert werden, indem durch die optische Aufnahmeeinheit die Position, insbesondere Lage, durch maschinelles Sehen bestimmt wird, wobei das Aufnahmegerät auf den Patienten ausgerichtet ist und ferner den Endeffektor, insbesondere das Instrument, im Sichtfeld hat. Das chirurgische Robotersystem ist dadurch so konzipiert, dass es eine Port-Chirurgie in Bereichen wie Neuro-, Wirbelsäulen- oder HNO-Chirurgie mit einem kleinen Zugang ermöglicht, bei dem Instrumente und Visualisierungsgeräte durch eine kleine Öffnung eingeführt werden müssen. Mit anderen Worten ist ein gegebenenfalls unabhängig beanspruchbarer Aspekt der vorliegenden Offenbarung also ein (miniaturisiertes) chirurgisches Robotersystem, das einen oder mehrere Roboter mit Roboterarmen umfasst, wobei der zumindest eine Roboter an einer Patientenfixierungseinheit (einer geometrischen Rahmenstruktur) befestigt ist, die starr mit dem Patienten verbunden ist. Das Robotersystem ist ferner mit einem optischen Aufnahmesystem (mit Aufnahmeeinheit) kombiniert, das mit/ von einem Trackingsystem, insbesondere Navigationssystem, verfolgt wird und eine Ansicht des Gewebes des Patienten mit der Endeffektorspitze , insbesondere der Instrumentenspitze im Sichtfeld erzeugt, wobei die Steuereinheit dafür angepasst ist, durch maschinelles Sehen die spezielle Position, insbesondere die Lage, der Endeffektorspitze, insbesondere Instrumentenspitze, besonders bevorzugt des gesamten Instruments bestimmt wird (lokalisiert wird) und entsprechend durch die Steuereinheit für eine Navigation verwendet wird. According to a further preferred embodiment, the control unit can be adapted to determine the optical recording of the end effector tip, the position, in particular the position and orientation (i.e. the location), of the end effector tip, in particular the instrument tip, relative to the recording unit by machine vision, and to determine the position, in particular the position, of the end effector tip in relation to the 3D recording data via the tracked position and orientation of the optical recording unit. In other words, the end effector, in particular the instrument, can preferably be localized in space by using the optical recording unit to determine the position, in particular location, by machine vision, with the recording device being aligned with the patient and also the end effector, in particular the instrument , has in the field of view. The robotic surgical system is thereby designed to enable port surgery in areas such as neuro, spine or ENT surgery with a small access where instruments and visualization devices need to be inserted through a small opening. In other words, an aspect of the present disclosure that may be independently claimable is a (miniaturized) robotic surgical system that includes one or more robots with robotic arms, wherein the at least one robot is attached to a patient fixation unit (a geometric frame structure) that is rigid with the patient connected is. The robotic system is also combined with an optical recording system (with a recording unit), which is tracked with/by a tracking system, in particular a navigation system, and a view of the patient's tissue with the end effector tip, generated in particular of the instrument tip in the field of view, with the control unit being adapted for this purpose, the specific position, in particular the location, of the end effector tip, in particular the instrument tip, particularly preferably of the entire instrument, is determined (is localized) by machine vision and correspondingly by the control unit for navigation is used.

Vorzugsweise kann der Endeffektor, insbesondere das Instrument, ein vordefiniertes optisches Markierungsmuster/ Markierungselement/ Marker aufweisen, insbesondere in Form von zueinander beabstandeten Ringen entlang einer Endeffektorachse und/oder in Form einer Punkt-Musters und/oder in Form von zumindest zwei Quadraten und/oder in Form eines QR-Codes, und die Steuereinheit dafür angepasst sein, auf Basis des durch die Aufnahmeeinheit erfassten optischen Markierungsmusters die Position, insbesondere die Lage, der Endeffektorspitze, insbesondere des gesamten Endeffektors, mittels Bildverarbeitungsalgorithmen zu bestimmen. Mit anderen Worten kann der Endeffektor, insbesondere das Instrument mit optischen Markierungen / Markierungselemente wie Ringen, Punkten, Quadraten oder QR-Mustern versehen werden und die Steuereinheit dafür angepasst sein, unter Verwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen die Position, insbesondere die Lage, des Endeffektors, insbesondere Instruments, zu bestimmen. Auf diese Weise kann auch eine Instrumentenspitze dann lokalisiert werden, wenn diese durch ein Gewebe verdeckt ist. Ferner kann über etwa einen QR-Code automatisch ein Instrumententyp bestimmt werden, zu dem in einer Speichereinheit Abmessungen oder geometrische Formen hinterlegt sind, welche für eine Bestimmung der Instrumentenspitze herangezogen wird. Auch können Bildverarbeitungsalgorithmen noch besser die Position, insbesondere Lage, der Endeffektorspitze bestimmen, etwa mittels Triangulation. The end effector, in particular the instrument, can preferably have a predefined optical marking pattern/marking element/marker, in particular in the form of rings spaced apart from one another along an end effector axis and/or in the form of a dot pattern and/or in the form of at least two squares and/or in the form of a QR code, and the control unit can be adapted to use image processing algorithms to determine the position, in particular the position, of the end effector tip, in particular of the entire end effector, on the basis of the optical marking pattern detected by the recording unit. In other words, the end effector, in particular the instrument, can be provided with optical markings/marking elements such as rings, dots, squares or QR patterns and the control unit can be adapted for this, using image processing algorithms to determine the position, in particular the location, of the end effector, in particular the instrument , to determine. In this way, an instrument tip can also be localized if it is covered by tissue. Furthermore, an instrument type can be automatically determined via a QR code, for which dimensions or geometric shapes are stored in a memory unit, which is used to determine the instrument tip. Image processing algorithms can also better determine the position, in particular location, of the end effector tip, for example by means of triangulation.

Ferner kann vorzugsweise an dem zumindest einen Endeffektor ein starrer Körper als optischer Marker angeordnet sein, welchen das Trackingsystem erfasst, um die Position und Orientierung der Endeffektorspitze, insbesondere des Endeffektors, zu bestimmen. Mit anderen Worten kann die (Nach-)Verfolgung des Patienten und der optischen Aufnahmeeinheit, insbesondere des Mikroskopkopfs des Operationsmikroskops, durch ein optisches Navigationssystem erfolgen, das eine Kamera aufweist, bei welchem starre Körper (rigid body) an nachzu verfolgenden Objekten wie dem Mikroskopkopf vorgesehen werden. Insbesondere kann der optischen Marker vier zueinander beabstandete IR-Kugeln aufweisen, die das Trackingsystem erfassen kann. Insbesondere kann also das Trackingsystem ein optisches Navigationssystem mit optischen Markern sein, wobei die optischen Marker an den nachzuverfolgenden Objekten, insbesondere der Aufnahmeeinheit und/oder an dem Endeffektor angeordnet sind. Furthermore, a rigid body can preferably be arranged on the at least one end effector as an optical marker, which the tracking system detects in order to determine the position and orientation of the end effector tip, in particular of the end effector. In other words, the (follow-up) tracking of the patient and the optical recording unit, in particular the microscope head of the surgical microscope, can take place using an optical navigation system Has camera, in which rigid body (rigid body) to be tracked objects such as the microscope head are provided. In particular, the optical marker can have four IR spheres spaced apart from one another, which the tracking system can detect. In particular, the tracking system can therefore be an optical navigation system with optical markers, with the optical markers being arranged on the objects to be tracked, in particular the recording unit and/or on the end effector.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, einen Mittelwert auf Basis der bestimmten Position, insbesondere Lage, der Spitze des Endeffektorspitze durch maschinelles Sehen (Machine Vision) und auf Basis der durch das Trackingsystem erfassten Position, insbesondere Lage, zu bestimmen, um eine Präzision weiter zu erhöhen. According to one embodiment, the control unit can be adapted to determine a mean value based on the determined position, in particular location, of the tip of the end effector tip by machine vision (machine vision) and on the basis of the position detected by the tracking system, in particular location, in order to further increase precision.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die zumindest eine Patientenfixierungseinheit ein Kopfhalter aus der Neurochirurgie sein. Mit anderen Worten kann die Patientenfixierungseinheit (das Patientenfixierungssystem) vorzugsweise in Form eines Kopfhalters ausgebildet sein, der in der Neurochirurgie verwendet wird. Der Kopfhalter fixiert den Kopf des Patienten starr und ermöglicht dadurch einen präzisen Eingriff. According to a further embodiment, the at least one patient fixation unit can be a head holder from neurosurgery. In other words, the patient fixation unit (the patient fixation system) can preferably be designed in the form of a head holder that is used in neurosurgery. The head holder fixes the patient's head rigidly, thereby enabling precise surgery.

Vorzugsweise kann die Patientenfixierungseinheit dafür angepasst sein, starr und unmittelbar an einem Kopf eines Patienten oder an einer Hüfte eines Patienten oder an einem Knie eines Patienten oder an einem Fußgelenk eines Patienten, verbunden oder befestigt zu werden, um zumindest diesen Körperabschnitt des Patienten mit dem Eingriffsbereich starr gegenüber der Patientenfixierungseinheit zu fixieren. Preferably, the patient fixation unit may be adapted to be rigidly and directly connected or attached to a patient's head, or to a patient's hip, or to a patient's knee, or to a patient's ankle, to secure at least that portion of the patient's body to the surgical site to fix rigidly to the patient fixation unit.

Insbesondere kann die Patientenfixierungseinheit eine Schiene aufweisen, insbesondere eine umlaufende Schiene, besonders bevorzugt eine ringförmige Schiene, an welcher der zumindest eine Roboter über seine Roboterbasis befestigt ist oder über seine Roboterbasis zumindest abschnittsweise entlang der Schiene, insbesondere gekoppelt und verliersicher, translatorisch bewegbar ist. Mit anderen Worten weist die Patientenfixierungseinheit ein ringförmiges Basissystem bzw. eine Ringbasis auf, das an einen Basisrahmen der Patientenfixierungseinheit befestigt ist, wobei das ringförmige Basissystem den chirurgischen Eingriffsbereich umgibt und als Basis für den zumindest einen Roboter dient, der über seine Roboterbasis daran befestigt wird. Die Ringbasis ermöglicht es, eine optimale Position für den Roboter mit seinem Roboterarm zu wählen und einzustellen, wobei sich der Roboter entlang der Ringbasis bewegen lässt. Insbesondere weist die Patientenfixierungseinheit eine Breite, insbesondere einen Durchmesser der Ringbasis auf, der im Wesentlichen einer Höhe der Patientenfixierungseinheit entspricht. Insbesondere ist der Basisrahmen U-förmig mit zwei sich gegenüberliegenden Schenkeln ausgeformt, an dessen freien Enden die um laufende Schiene als Ring starr befestigt oder stoffeinstückig verbunden ist. In particular, the patient fixation unit can have a rail, in particular a circumferential rail, particularly preferably a ring-shaped rail, to which the at least one robot is attached via its robot base or can be moved in a translatory manner via its robot base at least in sections along the rail, in particular coupled and captive. In other words, the patient fixation unit has an annular base system or a An annular base attached to a base frame of the patient fixation unit, the annular base system surrounding the surgical site and serving as a base for the at least one robot attached thereto via its robotic base. The ring base makes it possible to choose and adjust an optimal position for the robot with its robotic arm, while the robot can be moved along the ring base. In particular, the patient fixation unit has a width, in particular a diameter of the ring base, which essentially corresponds to a height of the patient fixation unit. In particular, the base frame is U-shaped with two opposing legs, at the free ends of which the rail running around is rigidly attached as a ring or connected in one piece of material.

Insbesondere ist das Material der Patientenfixierungseinheit ein sterilisierbares Material, insbesondere in der Medizintechnik verwendeter Edelstahl. Insbesondere umgibt die Schiene den Eingriffsbereich und ist oberhalb des Patienten und oberhalb eines Operationstisches angeordnet. Insbesondere beträgt eine horizontale Breite der Patientenfixierungseinheit maximal 1 Meter, bevorzugt maximal 50cm, und eine vertikale Höhe maximal 1 Meter, bevorzugt 50cm. In particular, the material of the patient fixation unit is a sterilizable material, in particular stainless steel used in medical technology. In particular, the splint surrounds the surgical area and is positioned above the patient and above an operating table. In particular, the horizontal width of the patient fixation unit is at most 1 meter, preferably at most 50 cm, and the vertical height is at most 1 meter, preferably 50 cm.

Gemäß einer weiteren Ausbildung kann die Roboterbasis einen Schliten mit einem Klemm- und/oder Rastelement aufweisen, der dafür angepasst ist, translatorisch entlang der Schiene geführt zu werden und bei Aktivierung des Klemm- und/oder Rastelements die Position der Roboterbasis gegenüber der Schiene zu fixieren, um verschiedene Positionen des Roboters gegenüber der Patientenfixierungseinheit einzustellen. Der Schlitten ist insbesondere verliersicher an der Schiene geführt und umgreift etwa die Schiene. Das Klemm- und/oder Rastelement kann insbesondere ein manuell betätigbarer Knopf sein, der in einen Klemm- und/oder Rastzustand vorgespannt ist und erst bei manueller Betätigung entgegen der Vorspannung den Schliten in einen frei beweglichen Zustand überführt. Insbesondere kann die Position der Roboterbasis an der Schiene, insbesondere der umlaufenden Schiene, einstellbar sein, um eine optimale Position des Roboters einzustellen. According to a further embodiment, the robot base can have a carriage with a clamping and/or latching element, which is adapted to be guided translationally along the rail and to fix the position of the robot base relative to the rail when the clamping and/or latching element is activated to set different positions of the robot relative to the patient restraint unit. In particular, the carriage is guided on the rail in a captive manner and embraces the rail, for example. The clamping and/or latching element can in particular be a manually operable button which is pretensioned in a clamping and/or latching state and only upon manual actuation against the pretension converts the carriage into a freely movable state. In particular, the position of the robot base on the rail, in particular the encircling rail, can be adjustable in order to set an optimal position for the robot.

Vorzugsweise kann der Roboterarm zumindest fünf Freiheitsgrade aufweisen, um den Endeffektor auf eine chirurgische Eintrittsbahn auszurichten, und/oder der Endeffektor (an einem distalen Ende des Roboterarms) kann zumindest einen weiteren eigenen Freiheitgrad aufweisen, insbesondere ein weiteres Gelenk mit zwei Freiheitsgraden (2DOF) aufweisen, um eine weitere Bewegung/ Artikulierung innerhalb des Körpers des Patienten zu ermöglichen. Mit anderen Worten kann der Roboterarm (jeweils) zumindest fünf oder mehr Freiheitsgrade zur Ausrichtung des Endeffektors auf die chirurgische Eintrittsbahn aufweisen. Insbesondere weist der Roboterarm fünf bis sieben Freiheitsgrade auf. Insbesondere kann also der Endeffektor am distalen Ende des Roboterarms mit weiteren Freiheitsgraden ausgestattet sein, um eine Artikulation innerhalb des Körpers des Patienten zu ermöglichen, insbesondere ein Gelenk mit zwei Freiheitsgraden (2-DOF-Gelenk) am Handgelenk des Roboterarms aufweisen. Preferably, the robotic arm can have at least five degrees of freedom to align the end effector with a surgical entry trajectory, and/or the end effector (at a distal end of the robotic arm) can have at least one more having its own degree of freedom, in particular having a further joint with two degrees of freedom (2DOF) to allow further movement/articulation within the patient's body. In other words, the robotic arm (each) can have at least five or more degrees of freedom for aligning the end effector with the surgical entry path. In particular, the robot arm has five to seven degrees of freedom. In particular, the end effector at the distal end of the robotic arm can be equipped with additional degrees of freedom to enable articulation within the patient's body, in particular having a joint with two degrees of freedom (2-DOF joint) on the wrist of the robotic arm.

Auch kann in einer Ausführungsform das zumindest eine optische Aufnahmegerät ein digitales Operationsmikroskop sein, das die optischen Aufnahmen der Steuereinheit computerlesbar bereitstellt und weiter vorzugsweise ein robotergesteuertes Operationsmikroskop sein. Mit anderen Worten ist die optische Aufnahmeeinheit insbesondere ein Operationsmikroskop, besonders bevorzugt ein digitales Mikroskop, das insbesondere von einem robotergeführten Mikroskoparm bewegt wird. In one embodiment, the at least one optical recording device can also be a digital surgical microscope, which makes the optical recordings available to the control unit in computer-readable form, and more preferably a robot-controlled surgical microscope. In other words, the optical recording unit is in particular a surgical microscope, particularly preferably a digital microscope, which is moved in particular by a robot-guided microscope arm.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das zumindest eine optische Aufnahmegerät auch ein Endoskop mit einem distalen Aufnahmekopf sein, um eine intrakorporale optische Aufnahme des Patienten zu erstellen. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Endoskop als die zumindest eine optische Aufnahmeeinheit eingesetzt werden, bei dem sich ein Aufnahmekopf im Inneren des Körpers befindet und durch denselben Arbeitskanal (Port) wie die Instrumente eingeführt werden kann. Sind an dem Endoskop beispielsweise optische Markierungsmuster vorgesehen, so kann auch über eine Aufnahme durch ein Operation smikroskop eine Position, insbesondere Lage, des distalen Aufnahmekopfs des Endoskops als Endeffektorspitze, durch maschinelles Sehen, wie vorstehend beschrieben, ermittelt werden. According to a further embodiment, the at least one optical recording device can also be an endoscope with a distal recording head in order to create an intracorporeal optical recording of the patient. Alternatively or additionally, an endoscope can also be used as the at least one optical recording unit, in which a recording head is located inside the body and can be inserted through the same working channel (port) as the instruments. If, for example, optical marking patterns are provided on the endoscope, a position, in particular position, of the distal recording head of the endoscope as an end effector tip can also be determined by means of a recording by a surgical microscope, using machine vision, as described above.

Insbesondere kann das chirurgische Robotersystem ein chirurgisches Navigationssystem für eine Navigation des Endeffektors aufweisen. Vorzugsweise kann das Navigationssystem ein Machine-Vision-basiertes Navigationssystem aulweisen. Insbesondere kann das Navigationssystem ein Operationsmikroskop als Kamera verwenden, um einen Endeffektor, insbesondere Instrument, mittels Bild-Analyse zu erkennen und eine Position oder Lage von zumindest der Endeffektorspitze, insbesondere der Instrumentenspitze, zu bestimmen. Ein Tracker ist bei der Bild- Analyse nicht mehr notwendig. In particular, the surgical robotic system can have a surgical navigation system for navigating the end effector. The navigation system can preferably have a machine vision-based navigation system. In particular, the navigation system can use a surgical microscope as a camera to analyze an end effector, in particular an instrument, by means of image analysis recognize and to determine a position or situation of at least the end effector tip, in particular the instrument tip. A tracker is no longer necessary for image analysis.

Vorzugsweise kann das chirurgische Robotersystem dafür angepasst sein, für Operationen durch einen in den Körper des Patienten eingebrachten Port verwendet zu werden, der bei Neuro-, Wirbelsäulen- oder H NO-Eingriffen eingesetzt wird. Preferably, the robotic surgical system may be adapted to be used for operations through a port introduced into the patient's body used in neuro, spinal or ENT procedures.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, in der Überlagerungsdarstellung die bestimmte Position, insbesondere die Lage, der Endeffektorspitze, insbesondere der Instrumentenspitze, in den 3D-Aufnahmedaten zu integrieren und über eine Anzeigevorrichtung auszugeben. According to one embodiment, the control unit can be adapted to integrate the specific position, in particular the location, of the end effector tip, in particular the instrument tip, in the 3D recording data in the overlay display and to output it via a display device.

Weiter vorzugsweise kann das chirurgische Robotersystem ferner eine (zu dem Roboter beanstandete) Steuerkonsole aufweisen, die dafür angepasst ist, eine manuelle Eingabe durch den Nutzer /Chirurgen auf den zumindest einen robotergeführten Endeffektor zu übertragen und den Endeffektor entsprechend aus der Feme zu steuern. Der zumindest eine gesteuerte Endeffektor, insbesondere das Instrument, kann also insbesondere über eine Konsole, die die Handbewegungen des Operateurs übersetzt, ferngesteuert oder anhand eines präoperativen Plans autonom manövriert werden. Vorzugsweise umfasst also das chirurgische Robotersystem eine Konsoleneinheit/ eine Eingabevorrichtung/ ein Steuerpult mit Eingabegeräten, die vom Chirurgen verwendet wird, um die manuellen Bewegungen der Hände auf die robotergeführten Instrumente zu übertragen. Beispielsweise kann für jede Hand jeweils ein Joystick vorgesehen sein, um den jeweiligen Endeffektor entsprechend zu bedienen. More preferably, the surgical robotic system may further include a control panel (distant from the robot) adapted to transmit manual input from the user/surgeon to the at least one robotic end effector and remotely control the end effector accordingly. The at least one controlled end effector, in particular the instrument, can therefore be remotely controlled, in particular via a console that translates the operator's hand movements, or maneuvered autonomously using a preoperative plan. The surgical robotic system therefore preferably comprises a console unit/an input device/a control panel with input devices, which is used by the surgeon to transfer the manual movements of the hands to the robot-guided instruments. For example, a joystick can be provided for each hand in order to operate the respective end effector accordingly.

Weiter vorzugsweise kann in der Datenbereitstellungseinheit des chirurgischen Robotersystems ferner ein präoperativer Eingriffs-Plan hinterlegt sein, und die Steuereinheit dafür angepasst sein, auf Basis der Überlagerung und auf Basis des präoperativen Eingriff-Plans den zumindest einen Endeffektor halbautonom oder vollständig autonom zu steuern/ bewegen, um den Eingriff durchzuführen. Insbesondere kann also das chirurgische Robotersystem, bei dem ein präoperativer Plan, insbesondere mit hinterlegten, vordefinierten Kinematikmodellen zu den einzelnen durchzuführenden Schritten des Eingriffs, die Durchführung eines präoperativen Plans ermöglichen und die Bewegung der Instrumente durch den Roboter halb- oder vollständig anonym bewegen. More preferably, a preoperative intervention plan can also be stored in the data provision unit of the surgical robotic system, and the control unit can be adapted to control/move the at least one end effector semi-autonomously or completely autonomously based on the superimposition and on the basis of the preoperative intervention plan, to perform the intervention. In particular, therefore, the surgical robotic system in which a preoperative Plan, in particular with stored, predefined kinematic models for the individual steps of the intervention to be carried out, enable the implementation of a preoperative plan and move the movement of the instruments by the robot semi- or completely anonymously.

Insbesondere kann das chirurgische Robotersystem ein Computersystem mit einem Display zur Anzeige des Bildes der optischen Aufnahmeeinheit und der Position des Instruments, das einem CT oder MR überlagert wird, aulweisen. In particular, the surgical robotic system can have a computer system with a display for showing the image of the optical recording unit and the position of the instrument, which is superimposed on a CT or MR.

Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird hinsichtlich des Steuerverfahrens dadurch gelöst, dass dieses die Schritte aufweist: The object of the present disclosure is achieved with regard to the control method in that it has the steps:

- Erstellen, durch ein optisches Aufnahmegerät, einer optischen Aufnahme eines Eingriffsbereichs des Patienten zusammen mit einer Endeffektorspitze eines robotergeführten Endeffektors, bei dem der Roboter direkt mit einer Patientenfixierungseinheit verbunden ist, und bereitstellen der optischen Aufnahme; - Creating, by an optical recording device, an optical recording of an intervention area of the patient together with an end effector tip of a robot-guided end effector, in which the robot is directly connected to a patient fixation unit, and providing the optical recording;

- Bereitstellen, durch eine Datenbereitstellungseinheit, von digitalen 3D- Aufnahmedaten des Patienten; - Provision, by a data provision unit, of digital 3D recording data of the patient;

- Nachverfolgen, durch ein Trackingsystem, von zumindest der optischen Aufnahmeeinheit und eines Körperabschnitts des Patienten, der gegenüber der Patientenfixierungseinheit fixiert ist; und - tracking, by a tracking system, of at least the optical recording unit and a body section of the patient, which is fixed relative to the patient fixation unit; and

- Bestimmen, durch eine Steuereinheit, einer Position, insbesondere einer Position und Orientierung, der Endeffektorspitze, insbesondere der Instrumentenspitze, gegenüber der Aufnahmeeinheit, insbesondere durch maschinelles Sehen; - Determining, by a control unit, a position, in particular a position and orientation, of the end effector tip, in particular the instrument tip, relative to the recording unit, in particular by machine vision;

- Erstellen einer Überlagerung mit den 3D-Aufnahmedaten einerseits und der lagekorrekten Position, insbesondere Position und Orientierung, der Endeffektorspitze andererseits; und - Creation of an overlay with the 3D recording data on the one hand and the correct position, in particular position and orientation, of the end effector tip on the other hand; and

- Ausgeben der Überlagerung als Überlagerungsdarstellung durch eine Anzeigevorrichtung und/oder Steuerung des Endeffektors auf Basis der Überlagerung. Durch das Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung mit entsprechender kann eine Position - Outputting the overlay as an overlay representation by a display device and/or controlling the end effector based on the overlay. By the control method according to the present disclosure with a corresponding position

Hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermedium werden die Aufgaben dadurch gelöst, dass dieses Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer, diesen veranlassen, die Verfahrensschrite des Steuerverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen. With regard to a computer-readable storage medium, the objects are achieved in that this includes instructions that when executed by a Computer causing it to perform the method steps of the control method according to the present disclosure.

Jegliche Offenbarung im Zusammenhang mit dem chirurgischen Robotersystem gemäß der vorliegenden Offenbarung gilt auch für das Steuerverfahren der vorliegenden Offenbarung und umgekehrt. Insbesondere kann die Steuereinheit des Robotersystems dafür angepasst sein, die Schritte des Steuerverfahrens auszuführen. Any disclosure related to the robotic surgical system according to the present disclosure also applies to the control method of the present disclosure and vice versa. In particular, the control unit of the robotic system can be adapted to carry out the steps of the control method.

Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures

Die vorliegende Offenbarung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Es zeigen: The present disclosure is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments with the aid of figures. Show it:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines chirurgischen Robotersystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, 1 shows a perspective view of a surgical robot system according to a first preferred embodiment,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines chirurgischen Robotersystems gemäß einer weiteren, zweiten bevorzugten Ausführungsform, 2 shows a perspective view of a surgical robot system according to a further, second preferred embodiment,

Fig. 3 eine detaillierte schematische perspektivische Ansicht aus Fig. 2 mit dem robotergeführten Instrument, welches als Markierungsmuster Ringe aufweist, das über den Mikroskopkopf erfasst wird, um die Position der Instrumentenspitze zu bestimmen, und 3 shows a detailed schematic perspective view from FIG. 2 with the robot-guided instrument, which has rings as a marking pattern, which is detected via the microscope head in order to determine the position of the instrument tip, and

Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. 4 shows a flow chart of a control method according to a preferred embodiment.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Detailed description of preferred embodiments

Fig. 1 zeigt in einer schematischen, perspektivischen Ansicht ein chirurgisches Robotersystem 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das chirurgische Robotersystem 1 wird vorliegend bei einer Kraniotomie für einen neurochirurgischen Eingriff an einem Kopf eines Patienten P verwendet, um besonders genau das Gehirngewebe des Patienten P zu manipulieren. 1 shows a schematic, perspective view of a surgical robot system 1 according to a first preferred embodiment of the present disclosure. In the present case, the surgical robot system 1 is used in a craniotomy used for a neurosurgical operation on a patient P's head in order to particularly accurately manipulate the patient P's brain tissue.

Für den Eingriff ist der Kopf des Patienten P, als zu fixierendes Körperteil bzw. Körperabschnitt, an dem der chirurgische Eingriff stattfindet, starr mit einer Patientenfixierungseinheit 2 verbunden. Starr bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Kranium des Patienten gegenüber der Patientenfixierungseinheit 2 lagefest/ fixiert ist und sich nicht ändert. Auf diese Weise wird der Eingriffsbereich am Patienten gegenüber der Patientenfixierungseinheit 2 statisch festgelegt, so dass auch bei einer eventuellen Verschiebung des Patienten P auf einem Operationstisch die geometrischen relativen Relationen beibehalten werden. For the intervention, the head of the patient P, as the body part or body section to be fixed and on which the surgical intervention takes place, is rigidly connected to a patient fixation unit 2 . In this context, rigid means that the patient's cranium is in a fixed/fixed position relative to the patient fixation unit 2 and does not change. In this way, the surgical area on the patient is fixed statically in relation to the patient fixation unit 2, so that the geometric relative relationships are retained even if the patient P is moved on an operating table.

In dieser Ausführungsform weist das chirurgische Robotersystem 1 zwei miniaturisierte chirurgische Roboter 4 auf, die aktiv steuerbar sind. Diese Roboter 4 sind gleich konfiguriert/ ausgestaltet und weisen jeweils eine Roboterbasis 6 auf, die an zwei gegenüberliegenden Seiten gegenüber dem Kopf des Patienten P gesehen direkt und unmittelbar mit der Patientenfixierungseinheit 2 fest verbunden / befestigt sind und den lokalen Anbindungspunkt des Roboters 4 an der Patientenfixierungseinheit 2 darstellen. In this embodiment, the surgical robot system 1 has two miniaturized surgical robots 4 that can be actively controlled. These robots 4 are configured/designed in the same way and each have a robot base 6 which is directly and immediately firmly connected/attached to the patient fixation unit 2 on two opposite sides opposite the head of the patient P and the local connection point of the robot 4 to the patient fixation unit 2 represent.

An der Roboterbasis 6 ist jeweils ein beweglicher, mehrsegmentierter Roboterarm 8, vorliegend mit vier Roboterarmgiiedern, mit einem endständigen/ stirnseitigen Endeffektor 10 in Form eines chirurgischen Instruments 12 angelenkt. Der Roboterarm 8 kann aktiv gesteuert werden und das Instrument 12 entsprechend führen. Da die beiden Roboter 4 direkt an dem Patientenfixierungssystem 2 fixiert sind, ist einerseits eine Distanz zwischen dem Kopf des Patienten P (mit dem Eingriffsbereich) und dem chirurgischen Instrument 12 minimiert, was eine Präzision einer Aktuierung besonders verbessert, und zudem können die beiden Roboter 4 aufgrund der unmittelbaren Nähe zu dem Eingriffsbereich so ausgelegt werden, dass die Roboterarme 8 nur eine geringe Reichweiten benötigen, mit einhergehenden kleineren Hebelarmen (damit geringerer Hebelwirkungen) und so kompakter und kleiner gebaut werden können. Auch lassen sich auf dem begrenzten Volumen, welches auch noch genügend Raum für eine Einsicht durch den Chirurgen oder gar manuelle Manipulation bieten muss, mehrere, hier zwei kleine Roboter 4 integrieren. Dies verbessert den Eingriff, da nun für jede Hand des Operateurs ein Aktuierungsarm des Roboters 4 bereitsteht und der Chirurg eine duale gleichzeitige Manipulation durchführen kann. A movable, multi-segmented robot arm 8 , in this case with four robot arm members, is articulated on the robot base 6 with a terminal/front end effector 10 in the form of a surgical instrument 12 . The robotic arm 8 can be actively controlled and guide the instrument 12 accordingly. Since the two robots 4 are fixed directly to the patient fixation system 2, on the one hand a distance between the head of the patient P (with the surgical area) and the surgical instrument 12 is minimized, which particularly improves the precision of an actuation, and on the other hand the two robots 4 be designed due to the immediate proximity to the intervention area so that the robotic arms 8 only require a short range, with associated smaller lever arms (thus lower leverage) and can thus be built more compactly and smaller. Several robots 4 , here two small ones, can also be integrated into the limited volume, which must also offer enough space for the surgeon to look inside or even for manual manipulation. This improves the engagement because now for each Hand of the operator an actuation arm of the robot 4 is ready and the surgeon can perform a dual simultaneous manipulation.

Das chirurgische Robotersystem 1 weist ferner eine optische Aufnahmeeinheit 14 in Form eines robotergeführten Operationsmikroskops auf, welches konfiguriert ist, über ein optisches System und einen Aufnahmesensor eine optische Aufnahme A des Eingriffsbereichs des Patienten P zusammen mit einem intrakorporalen Gewebe zu erstellen und digital bereitzustellen. Zudem befindet sich in dem Sichtfeld 16 der Aufnahmeeinheit 14 das chirurgische Instrument 12, zumindest aber eine Instrumentenspitze 20 als Endeffektorspitze 18, welche die Manipulation des Gewebes durchführt. Die optische Aufnahmeeinheit 14 erfasst diese Instrumentenspitze 20, die in seinem Sichtfeld 16 vom Chirurgen geführt wird, in der erstellten Aufnahme A entsprechend. The surgical robot system 1 also has an optical recording unit 14 in the form of a robot-guided surgical microscope, which is configured to create and digitally provide an optical recording A of the surgical area of the patient P together with an intracorporeal tissue via an optical system and a recording sensor. In addition, the surgical instrument 12 is located in the field of view 16 of the recording unit 14, but at least one instrument tip 20 as an end effector tip 18, which carries out the manipulation of the tissue. The optical recording unit 14 records this instrument tip 20, which is guided by the surgeon in his field of view 16, in the recording A that has been created.

Um während des Eingriffes über einen Port und mit nur kleiner sichtbaren Öffnung zu navigieren und die erfasste Instrumentenspitze 20 gegenüber präoperativen 3D- Aufn ahmen 3DA zu korrelieren, weist das chirurgische Robotersystem 1 ferner noch eine Datenbereitstellungseinheit 22 mit einer Speichereinheit 24 auf, in der digitale präoperative 3D-Aufnahmedaten 3DA des Patienten P mit zumindest dem Körperabschnitt, an dem der Eingriff stattfinden soll, in Form einer Magnetresonanztomografie (MRT) oder einer Computertomografie (CT) gespeichert. Diese Datenbereitstellungseinheit stellt diese 3D-Aufnahmedaten 3DA digital bzw. computerlesbar bereit. Um eine Korrelation zwischen der realen Welt mit dem Patienten P und der virtuellen Welt mit den 3D-Aufnahmedaten des Patienten P durchzuführen, wird ferner noch ein Trackingsystem 26 benötigt, das in dieser Ausführungsform als chirurgisches Navigationssystem mit optischer dreidimensionaler Erkennung ausgeführt ist. Das Trackingsystem 26 ist dafür angepasst, die optische Aufnahmeeinheit 14, insbesondere einen Kopf der optischen Aufnahmeeinheit, räumlich zu erfassen und im Raum nachzuverfolgen. Das Trackingsystem 26 ist ferner dafür angepasst, den fixierten Kopf des Patienten P räumlich zu erfassen, und zwar indirekt über das Erfassen des Patientenfixierungssystems 2 mit vordefinierten Kontaktpunkten zum Kopf des Patienten P und entsprechender Vorwärtsbestimmung. Auch kann eine Relation des Kopfs des Patienten P gegenüber der Patientenfixierungseinheit 2 vorgegeben werden. Da das Trackingsystem 26 sowohl das Instrument 12 als auch den Kopf des Patienten P mit dem Eingriffsbereich räumlich erfasst, kann eine speziell angepasste Steuereinheit 30 die präoperativen 3D- Aufnahmedaten 3DA mit dem Kopf des Patienten P und damit dem Patienten P korrelieren, sodass eine Überlagerung der realen Welt mit der virtuellen Welt, insbesondere der realen Aufnahmen mit den virtuellen präoperativen Aufnahmen durchgeführt werden kann und dem Chirurgen für eine Navigation beim Eingriff mittels des chirurgischen Robotersystems 1 bereitgestellt wird. In order to navigate during the intervention via a port and with only a small visible opening and to correlate the recorded instrument tip 20 with respect to preoperative 3D recordings 3DA, the surgical robot system 1 also has a data supply unit 22 with a storage unit 24, in which digital preoperative 3D recording data 3DA of the patient P with at least the part of the body on which the intervention is to take place is stored in the form of magnetic resonance imaging (MRI) or computed tomography (CT). This data supply unit provides these 3D recording data 3DA digitally or in computer-readable form. In order to carry out a correlation between the real world with the patient P and the virtual world with the 3D recording data of the patient P, a tracking system 26 is also required, which in this embodiment is designed as a surgical navigation system with optical three-dimensional recognition. The tracking system 26 is adapted to spatially detect the optical recording unit 14, in particular a head of the optical recording unit, and to track it in space. The tracking system 26 is further adapted to spatially acquire the fixed head of the patient P indirectly via acquisition of the patient fixation system 2 with predefined points of contact to the patient P's head and forward determination accordingly. A relation of the head of the patient P to the patient fixation unit 2 can also be specified. Since the tracking system 26 spatially records both the instrument 12 and the head of the patient P with the surgical area, a specially adapted control unit 30 can correlate the preoperative 3D recording data 3DA with the head of the patient P and thus with the patient P, so that the real world with the virtual world, in particular the real recordings can be carried out with the virtual preoperative recordings and is provided to the surgeon for navigation during the intervention using the surgical robot system 1.

In dieser Ausführungsform ist das chirurgische Robotersystem 1 speziell konfiguriert, die Position und Orientierung, also der Lage, der Endeffektorspitzen 18, hier die Instrumentenspitzen 20, zu bestimmen und diese ermittelten Insturmentenspitzen in einer Überlagerung bzw. Überlagerungsdarstellung mit einerseits den 3D-Aufnahmedaten 3DA des Eingriffsbereichs und andererseits eine eingeblendeten lagekorrekten Überlagerung andererseits zu erzeugen und zusammen durch eine Anzeigevorrichtung 32 in Form eines OP-Monitors visuell auszugeben. So wird dem Chirurgen eine besonders vorteilhafte Navigation mit der Möglichkeit einer entsprechenden Steuerung gegeben. Da die Überlagerungsdarstellung beliebig duplizierbar ist, kann der Chirurg etwa eine 3D-Brille aufsetzen, in welcher die Überlagerungsdarstellung dreidimensional dargestellt wird und an einer externen Konsole mit Eingabegeräten sitzend fernab des Eingriffebereichs auf Basis seiner visuellen Anzeige die Steuerung der Roboter 4 durchführen. Auch kann die Überlagerung von der Steuereinheit 30 verwendet werden, um das Instrument halbautonom oder autonom entsprechend eines Eingriffsplans zu steuern. Mit dem vorliegenden chirurgischen Robotersystem wird also insbesondere die Möglichkeit einer Telemedizin geschaffen. In this embodiment, the surgical robotic system 1 is specially configured to determine the position and orientation, i.e. the position, of the end effector tips 18, here the instrument tips 20, and to determine these instrument tips in an overlay or overlay display with, on the one hand, the 3D recording data 3DA of the surgical area and on the other hand to generate an overlaid superimposition in the correct position and to output it visually together by a display device 32 in the form of an operating room monitor. In this way, the surgeon is given a particularly advantageous navigation with the possibility of a corresponding control. Since the overlay display can be duplicated as desired, the surgeon can put on 3D glasses, in which the overlay display is displayed three-dimensionally, and control the robot 4 on the basis of his visual display while sitting on an external console with input devices far away from the surgical area. Also, the overlay can be used by the control unit 30 to control the instrument semi-autonomously or autonomously according to an intervention plan. In particular, the possibility of telemedicine is created with the present surgical robot system.

In dieser Ausführungsform ist die Patientenfixierungseinheit 2 fest mit einem Operationstisch 34 verbunden, um eine notwendige Stabilität zu gewährleisten. In this embodiment, the patient fixation unit 2 is firmly connected to an operating table 34 in order to ensure the necessary stability.

Die optische Aufnahmeeinheit 14 in Form des Operationsmikroskops hat einen endständigen Mikroskopkopf 36, welcher das optische System und den Aufnahmesensor umfasst, und der über einen mehrgliedrigen robotergeführten Mikroskoparm 38 mit mehreren Mikroskoparmsegmenten 39 aktiv eingestellt werden kann, um während der Operation in vorbestimmte Lagen zu manövrieren und eine bestmögliche Sicht zu haben. Insbesondere kann das Operationsmikroskop auf diese Weise um einen Fokuspunkt herumbewegen, um verschiedene Ansichten zu ermöglichen. Der Mikroskoparm 38 ist an einem mobilen Rollwagen 40 angelenkt, welcher an unterschiedlichen Stellen in einem Operationssaal abhängig von den Erfordernissen eines Eingriffs positioniert werden kann. The optical recording unit 14 in the form of the surgical microscope has a terminal microscope head 36, which the optical system and the Includes recording sensor, and can be set via a multi-part robot-guided microscope arm 38 with multiple microscope arm segments 39 to maneuver during the operation in predetermined positions and to have the best possible view. In particular, the surgical microscope can move around a focus point in this way in order to enable different views. The microscope arm 38 is pivoted to a mobile trolley 40 which can be positioned at different locations in an operating room depending on the needs of a procedure.

Um den Mikroskopkopf 36 räumlich zu erfassen und nachzu verfolgen, ist an seinem Gehäuse ein passiver optischer Marker 42 in Form eines starren Körpers mit mehreren (insbesondere vier) zueinander beabstandeten IR-Markierungskugeln angeordnet. Eine Stereokamera 44 des Trackingsystems 26 erfasst diesen Marker 42 und kann darüber eine Lage im Raum relativ zu der Stereokamera 44 erfassen. Zudem ist jeweils an dem letzten Segment des Roboterarms 2, also unmittelbar benachbart am Instrument 12 ein optischer Marker 42 mit IR-Markierungskugeln befestigt, so dass die Stereokamera auch die Lage des letzten Segments des Roboterarm 2 und aufgrund der vordefinierten Relation zu dem Instrument 12 auch jeweils die Lage des Instruments 12 und einer Instrumentenspitze 20 bestimmen kann. Schließlich ist auch noch an der Patientenfixierungseinheit 2 ein entsprechender Marker 42 vorgesehen. Die Position und Orientierung der Instrumentenspitze 20 wird dann entsprechend zu den 3D- Aufnahedaten 3DA durch die Steuereinheit 30 korreliert. In order to spatially detect and track the microscope head 36, a passive optical marker 42 in the form of a rigid body with a plurality (in particular four) spaced-apart IR marker spheres is arranged on its housing. A stereo camera 44 of the tracking system 26 captures this marker 42 and can use it to capture a position in space relative to the stereo camera 44 . In addition, an optical marker 42 with IR marking balls is attached to the last segment of the robot arm 2, i.e. immediately adjacent to the instrument 12, so that the stereo camera can also see the position of the last segment of the robot arm 2 and, due to the predefined relationship to the instrument 12, also can determine the position of the instrument 12 and an instrument tip 20 respectively. Finally, a corresponding marker 42 is also provided on the patient fixation unit 2 . The position and orientation of the instrument tip 20 is then correlated by the control unit 30 in accordance with the 3D close-up data 3DA.

In dieser Ausführungsform sind die Datenbereitstellungseinheit 22, die Speichereinheit 24 und die Steuereinheit 30 in dem Rollwagen integriert, jedoch ist es natürlich ebenfalls möglich, das chirurgische Robotersystem 1 über etwa eine lokale Netzwerkverbindung an eine speziell angepasste Recheneinheit a nzu binden, welche sowohl dezentral als auch zentral vorgesehen werden kann. In this embodiment, the data supply unit 22, the memory unit 24 and the control unit 30 are integrated in the trolley, but it is of course also possible to connect the surgical robot system 1 to a specially adapted computing unit via a local network connection, which is both decentralized and can be provided centrally.

Das Patientenfixierungssystem 2 hat für die starre Fixierung des Kopfs des Patienten P einen U-förmigen Rahmen 48 mit zwei gegenüberliegenden Schenkeln, an denen jeweils einander zugewandt einstellbare Fixierpins 46 vorgesehen sind, die sich zueinander eindrehen lassen, um einen Abstand der Fixierpins 46 zu Verringern und den Kopf des Patienten P entsprechend zwischen diesen einzuklemmen. Auf der linken Seite in Fig. 1 ist ein einzelner vorstehender bolzenartiger Fixierpin 46 mit stirnseitiger Spitze vorgesehen, während auf der gegenüberliegenden Seite ein kreisabschnittförmigen Bogen mit zumindest zwei radial nach innen ausgerichteten Fixierpins 46 vorgesehen sind, wobei sich der Bogen über ein Schraubgewinde translatorisch nach innen zum Kopf hin und nach außen wieder vom Kopf wegbewegen und einstellen lässt. Auf diese Weise kann die Patientenfixierungseinheit 2 mit den drei Fixierungspins 46 an unterschiedliche Kopfgrößen angepasst werden. Die drei Fixierpins 46 erlauben eine Festlegung der Lage des Kopfs des Patienten P gegenüber der Fixierungseinheit 2, ohne Unterbestimmung oder Überbestimmung. For the rigid fixation of the head of the patient P, the patient fixation system 2 has a U-shaped frame 48 with two opposite legs, on which adjustable fixation pins 46 are provided, each facing one another, which can be screwed in towards one another in order to reduce the distance between the fixation pins 46 and clamp the head of the patient P between them accordingly. On the left-hand side in Fig. 1, a single protruding bolt-like fixing pin 46 with a front tip is provided, while on the opposite side there is a arc in the shape of a segment of a circle with at least two fixing pins 46 aligned radially inwards, the arc translationally inward via a screw thread towards the head and outwards away from the head and can be adjusted. In this way, the patient fixation unit 2 with the three fixation pins 46 can be adapted to different head sizes. The three fixation pins 46 allow the position of the head of the patient P to be fixed in relation to the fixation unit 2, without underdetermination or overdetermination.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines chirurgischen Robotersystems 1 gemäß einer weiteren, zweiten Ausführungsform und Fig. 3 eine detaillierte Teilansicht des entsprechenden Eingriffsbereichs. Diese Ausführungsform unterscheidet sich gegenüber der ersten Ausführungsform durch die Konfiguration zur Bestimmung der Position und Orientierung der Instrumentenspitze 20 als auch durch die Anbindung der Roboter 4 an die Patientenfixierungseinheit 2. FIG. 2 shows a perspective view of a surgical robot system 1 according to a further, second embodiment and FIG. 3 shows a detailed partial view of the corresponding surgical area. This embodiment differs from the first embodiment in the configuration for determining the position and orientation of the instrument tip 20 and in the connection of the robot 4 to the patient fixation unit 2.

In dieser Ausführungsform hat die Patientenfixierungseinheit 2 an seinem U- förmigen Rahmen 48 an einer in Fig. 2 gesehen oberen Seite eine umlaufende, kreisförmige Schiene 50, die starr mit dem Rahmen 48 verbunden und starr gegenüber dem Kopf des Patienten P festgelegt ist. Passend zu der Schiene 50 ist die Roboterbasis 6 in dieser Ausführungsform als Schlitten 52 ausgeführt, der die Schiene 50 geometrisch umgreift und entlang der Längsachse der Schiene 50 geführt werden kann. Auf diese Weise kann die Position der Roboterbasis 6 gegenüber der Patientenfixierungseinheit 2 verändert werden und für einen Eingriff einfach angepasst werden. Ferner weist die Roboterbasis 6 noch ein Klemm- und Rastelement 54 auf, das dafür angepasst ist, den Schlitten 54 gegenüber der Schiene 50 einerseits federelastisch zu klemmen und andererseits über einen Rastmechanismus zusätzlich zu fixieren. Insbesondere kann das Klemm- und Rastelement 54 in Form eines Betätigungsknopfs ausgeführt sein, so dass bei einem Drücken dieses Betätigungsknopfs ein gleiten des Schlittens 54 entlang der Schiene 50 möglich ist und bei einem Loslassen des Betätigungsknopfs dieser federelastisch in seine Ausgangsstellung zurückgedrückt wird, in welcher dieser den Schlitten 54 an die Schiene 50 klemmt und mit dieser verrastet. Insbesondere kann die Roboterbasis 6 koppelbar und entkoppelbar gestaltet sein, so dass diese an die Schiene 50 angekoppelt und bei Bedarf auch wieder entkoppelt werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Anzahl der an die Patientenfixierungseinheit 2 angebundenen Roboter 4 bedarfsgerecht an den Eingriff anpassen. In dieser Ausführungsform hat das chirurgische Robotersystem 1 , gleich zur ersten Ausführungsform, zwei Roboter 4. Auch ist in einer nicht dargestellten Ausführungsform in der Roboterbasis ein Motor eingebaut, um die Schlitten 52 an der kreisförmigen Schiene aktiv zu verfahren. In this embodiment, the patient fixation unit 2 has, on its U-shaped frame 48 on an upper side as viewed in FIG. Matching the rail 50 , the robot base 6 in this embodiment is designed as a carriage 52 which geometrically encompasses the rail 50 and can be guided along the longitudinal axis of the rail 50 . In this way, the position of the robot base 6 relative to the patient fixation unit 2 can be changed and easily adjusted for an intervention. Furthermore, the robot base 6 also has a clamping and latching element 54 which is adapted to clamp the carriage 54 resiliently relative to the rail 50 on the one hand and to additionally fix it via a latching mechanism on the other. In particular, the clamping and latching element 54 can be designed in the form of an actuating button, so that when this actuating button is pressed, the carriage 54 can slide along the rail 50 and when the actuating button is released, it springs elastically into its Starting position is pushed back, in which this clamps the carriage 54 to the rail 50 and locked with it. In particular, the robot base 6 can be designed so that it can be coupled and decoupled, so that it can be coupled to the rail 50 and, if necessary, also decoupled again. In this way, the number of robots 4 connected to the patient fixation unit 2 can be adapted to the intervention as required. In this embodiment, the surgical robot system 1 has two robots 4, similar to the first embodiment. Also, in an embodiment not shown, a motor is installed in the robot base to actively move the carriages 52 on the circular rail.

Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind jedoch an den endständigen Segmenten der Roboterarme 8 keine optischen Marker 42 vorgesehen, sondern die Position der Instrumentenspitze 20 wird, wie nachstehend erläutert, durch maschinelles Sehen ermittelt. Einerseits ist das KOS des Patienten P der Steuereinheit 30 bekannt und andererseits ist das KOS des Rollwagens 40 des Operationsmikroskops bekannt. Über kinematische Relationen kann die Steuereinheit 30, ausgehend von dem KOS des Rollwagens 40, das KOS des Mikroskopkopfs 36 mit dem Aufnahmesensor bestimmen. In contrast to the first embodiment, however, no optical markers 42 are provided on the terminal segments of the robot arms 8, but the position of the instrument tip 20 is determined by machine vision, as explained below. On the one hand, the KOS of the patient P is known to the control unit 30 and, on the other hand, the KOS of the trolley 40 of the surgical microscope is known. Based on the KOS of the trolley 40, the control unit 30 can determine the KOS of the microscope head 36 with the recording sensor via kinematic relations.

Der Mikroskopkopf 36 selbst erfasst optisch über die optische Aufnahme A die Instrumentenspitze 20 des Instruments 12 und die Steuereinheit 30 ist dafür angepasst, auch wenn nur eine 2D-Aufnhame bereitgestellt wird, über Machine Vision eine Position und eine Orientierung dieser Instrumentenspitze 20 bestimmen. Dies hat den Vorteil, dass eine Instrumentenspitze besonders genau bestimmt und gegenüber den 3D- Aufnahmedaten 3DA lokalisiert werden kann. Ferner hat diese Konfiguration den Vorteil, dass keine optischen Marker in dem ohnehin beengten Eingriffsbereich vorgesehen werden müssen. The microscope head 36 itself optically detects the instrument tip 20 of the instrument 12 via the optical recording A, and the control unit 30 is adapted to determine a position and an orientation of this instrument tip 20 via machine vision, even if only a 2D recording is provided. This has the advantage that an instrument tip can be determined particularly precisely and localized in relation to the 3D recording data 3DA. Furthermore, this configuration has the advantage that no optical markers have to be provided in the intervention area, which is already cramped.

Fig. 3 zeigt für eine Erläuterung eine schematische, detaillierte Teilansicht aus Fig. 2 mit einerseits dem Mikroskopkopf 36 und andererseits dem Instrument 12. Für eine noch bessere Bestimmung der Position und Orientierung hat das zylinderförmige chirurgische Instrument 12 entlang seiner Längsachse beabstandet konzentrische optische Ringe 62, die in einem speziellen Muster zueinander angeordnet sind und ein optisches Markierungsmuster/ Markierungselement 60 für die Bestimmung darstellen. Auf Basis des vordefinierten optischen Musters kann die Steuereinheit 30 noch genauer die Position und Orientierung in der Aufnahme A bestimmen. Ist nämlich die Instrumentenspitze 20 in ein Gewebe des Patienten eingetaucht, durch das Gewebe verdeckt und damit optisch nicht sichtbar, so kann die Steuereinheit 30 dennoch auf Basis der optischen Markierungselemente 60 auf die Spitze des Instruments 12 schließen. Zudem kann der robotergeführte Mikroskopkopf 36 auch dafür angepasst sein, selbst eine kleine Bewegung auszuführen, um verschiedene Ansichten des Instruments 12 zu erstellen, um mittels Maschinellen Sehens die Position und Orientierung noch besser zu bestimmen. For an explanation, Fig. 3 shows a schematic, detailed partial view of Fig. 2 with the microscope head 36 on the one hand and the instrument 12 on the other. For an even better determination of the position and orientation, the cylindrical surgical instrument 12 has concentric optical rings 62 spaced along its longitudinal axis , which are arranged in a specific pattern to one another and constitute an optical marking pattern/marking element 60 for determination. The control unit 30 can determine the position and orientation in the recording A even more precisely on the basis of the predefined optical pattern. If the instrument tip 20 is immersed in tissue of the patient, is covered by the tissue and is therefore not optically visible, the control unit 30 can still deduce the tip of the instrument 12 on the basis of the optical marking elements 60 . In addition, the robotic microscope head 36 can also be adapted to perform a small movement itself in order to create different views of the instrument 12 in order to further determine the position and orientation using computer vision.

Wie in den vorstehenden Fig. 1 bis 3 dargestellt, sind also kleine Roboter 4 mit Roboterarmen 8 direkt an einem Kopfhalterungssystem bzw. einer Patientenfixierungseinheit 2 befestigt, das eine starre Verbindung zwischen der Roboterbasis 6 und dem Patienten P gewährleistet. Die Roboterarme 8 haben fünf bis sieben Freiheitsgrade, um die chirurgischen Instrumente 12 innerhalb des chirurgischen Zugangs auszurichten, insbesondere über einen Port in der Neurochirurgie. Darüber hinaus können die chirurgischen Instrumente 12 selbst über weitere Freiheitsgrade verfügen, beispielsweise um eine gebogene Spitze zu realisieren, die sich im Körper des Patienten P bewegen kann. Das chirurgische Robotersystem 1 wird mit einem optischen Bildgebungssystem wie einem Operationsmikroskop kombiniert bzw. weist ein solches auf. Ein Trackingsystem 26, insbesondere Navigationssystem 28, wird dann verwendet, um den Patienten P und das Operationsmikroskop etwa über starre Körper als optische Marker zu verfolgen, die einerseits an der Patientenfixierungseinheit 2 (am Kopfhalter) und andererseits und am Gehäuse des Mikroskopkopfs 36 befestigt sind. Das chirurgische Instrument 12 wird ebenfalls verfolgt, und zwar direkt durch Anbringung eines weiteren starren Körpers als optischen Marker am Roboter- Endeffektor oder unter Durchführung eines Verfahrens des maschinellen Sehens. Im Falle des maschinellen Sehens auf Basis der der Bildverarbeitung werden keine starren Körper am Roboter oder am Instrument 12 benötigt. Stattdessen wird die Instrumentenspitze 20, die im Sichtfeld des optischen Bildgebungssystems 14 sichtbar ist, mit einem optischen Muster versehen, insbesondere mit Ringen, Punkten,Thus, as shown in FIGS. 1 through 3 above, small robots 4 with robot arms 8 are attached directly to a head mount system or patient fixation unit 2, which ensures a rigid connection between the robot base 6 and the patient P. The robotic arms 8 have five to seven degrees of freedom to orient the surgical instruments 12 within the surgical approach, particularly via a port in neurosurgery. In addition, the surgical instruments 12 themselves can have further degrees of freedom, for example in order to realize a curved tip that can move in the patient P's body. The surgical robot system 1 is combined with or has an optical imaging system such as an operating microscope. A tracking system 26, in particular a navigation system 28, is then used to track the patient P and the surgical microscope, for example using rigid bodies as optical markers, which are attached on the one hand to the patient fixation unit 2 (on the head holder) and on the other hand to the housing of the microscope head 36. The surgical instrument 12 is also tracked, either directly by attaching another rigid body as an optical marker to the robotic end effector or by performing a machine vision procedure. In the case of machine vision based on image processing, no rigid bodies are required on the robot or on the instrument 12 . Instead, the instrument tip 20, which is visible in the field of view of the optical imaging system 14, is provided with an optical pattern, in particular with rings, dots,

Quadraten oder QR-Mustern - die es jeweils ermöglichen, den Typ und die Position des Instruments 12 relativ zum optischen Bildgebungssystem 14 zu identifizieren. Da das optische Bildgebungssystem 14 und der Patient P durch das Navigationssystem 28 lokalisiert werden, kann die Position, insbesondere die Position und die Orientierung des Instruments 12 auf einem präoperativen 3D-Datensatz bzw. präoperativen 3D- Aufnahmedaten 3DA des Patienten wie etwa einer CT-Aufnahme oder einer MR- Aufnahme, angezeigt werden. Squares or QR patterns - each allowing the type and position of the instrument 12 relative to the optical imaging system 14 to be identified. Since that optical imaging system 14 and the patient P are localized by the navigation system 28, the position, in particular the position and the orientation of the instrument 12 on a preoperative 3D data set or preoperative 3D recording data 3DA of the patient such as a CT recording or a MR image are displayed.

Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Dieses Steuerverfahren kann auch in einem computerlesbaren Speichermedium in Form von Befehlen gespeichert sein, welches in dem chirurgischen Robotersystem 1 der ersten oder zweiten Ausführungsform eingesetzt werden kann. 4 shows a flow chart of a control method according to a preferred embodiment. This control method can also be stored in a computer-readable storage medium in the form of instructions, which can be used in the robotic surgical system 1 of the first or second embodiment.

Das Steuerverfahren erstellt in einem ersten Schritt S1 durch ein optisches Aufnahmegerät 14 eine optische Aufnahme A eines Eingriffsbereichs des Patienten P zusammen mit einer Endeffektorspitze 18 eines robotergeführten Endeffektors 10.In a first step S1, the control method uses an optical recording device 14 to create an optical recording A of an intervention area of the patient P together with an end effector tip 18 of a robot-guided end effector 10.

Hierbei ist der Roboter 4 direkt mit einer Patientenfixierungseinheit 2 verbunden. Die optischen Aufnahme A wird entsprechend einer Steuereinheit 30 computerlesbar bereitgestellt. In this case, the robot 4 is connected directly to a patient fixation unit 2 . The optical recording A is provided in a computer-readable manner in accordance with a control unit 30 .

In einem Schritt S2 werden der Steuereinheit 30 zudem digitale 3D- Aufnahmedaten 3DA des Patienten P bereitgestellt. Damit liegen sowohl reale als auch virtuelle digitale Aufnahmen des Patienten p vor. In a step S2, the control unit 30 is also provided with digital 3D recording data 3DA of the patient P. This means that both real and virtual digital recordings of the patient p are available.

In einem nachfolgenden Schritt S3 wird dann die optische Aufnahmeeinheit 14 durch ein Trackingsystem 26 direkt nachverfolgt, sowie ein Körperabschnit des Patienten P, der gegenüber der Patientenfixierungseinheit 2 fixiert ist, über die Patientenfixierungseinheit mit vorbestimmter Relation zu dem Körperabschnitt, insbesondere zu einem Kopf des Patienten, einmalig oder kontinuierlich gegenüber dem Trackingsystem im Raum bestimmt, sodass eine Korrelation von virtueller Welt (3D-Aufnahmedaten) und realer Welt (optische Aufnahme; Patient und weiteren getrackten Objekten) durchführbar ist. Dann wird in einem Schrit S4 durch die Steuereinheit 30, einer Position und Orientierung der In strumenten spitze (20) gegenüber der Aufnahmeeinheit (14), durch maschinelles Sehen bestimmt. In a subsequent step S3, the optical recording unit 14 is then tracked directly by a tracking system 26, as well as a body section of the patient P, which is fixed relative to the patient fixation unit 2, via the patient fixation unit with a predetermined relation to the body section, in particular to a head of the patient. determined once or continuously in relation to the tracking system in space, so that a correlation of the virtual world (3D recording data) and the real world (optical recording; patient and other tracked objects) can be carried out. Then, in a step S4, the control unit 30 determines a position and orientation of the instrument tip (20) relative to the recording unit (14) by machine vision.

Es wird in einem Schritt S5 eine Korrelation bzw. Überlagerung mit sowohl den 3D-Aufnahedaten einerseits und der lagekorrekten Position und Orientierung der Instrumentenspitze 20 andererseits ermittelt bzw. erstellt. In a step S5, a correlation or overlay is determined or created with both the 3D close-up data on the one hand and the correct position and orientation of the instrument tip 20 on the other.

Schließlich erfolgt in einem Schritt S5 eine Ausgabe der Überlagerung U als Überlagerungsdarstellung durch OP-Monitor, um einen Nutzer visuell zu unterstützen und zudem wird eine halbautonome Steuerung des Instruments 10 auf Basis der Überlagerung U durchgeführt. In dieser Ausführungsform ist ein Eingriffs-Plan vor der Operation bestimmt worden und einzelne aufeinanderfolgende Schritte dieses Eingriffs- Plans vorab definiert worden. Der Chirurg kann über eine Steuerkonsole, die beabstandet zu dem Roboter ist, einen ersten Schritt der Steuerung bestätigen, sodass das Instrument 12 eigenständig diesen ersten Schritt ausführt. Der Chirurg kann nach Beendigung des ersten Schritts die korrekte Ausführung überprüfen und ggf. noch manuell mit etwa einem Handinstrument eine lokale Korrektur durchführen und mittels einer Bestätigungseingabe zum nächsten Schritt der Steuerung des Instruments 12 voranschreiten. So kann ähnlich eines diskreten, gestuften Verfahrens, der Eingriff schließlich durchgeführt werden. Hierbei wird die Position und Orientierung der Instrumentenspitze kontinuierlich bestimmt und für eine entsprechende Steuerung verwendet. Finally, in a step S5, the overlay U is output as an overlay display by the surgical monitor in order to provide visual support to a user, and the instrument 10 is also semi-autonomously controlled on the basis of the overlay U. In this embodiment, an intervention plan has been determined before the operation and individual successive steps of this intervention plan have been defined in advance. The surgeon can confirm a first step of the control via a control console that is spaced apart from the robot, so that the instrument 12 independently carries out this first step. After the end of the first step, the surgeon can check the correct execution and, if necessary, carry out a local correction manually with a hand instrument, for example, and proceed to the next step of controlling the instrument 12 by means of a confirmation input. In this way, the intervention can finally be carried out, similar to a discrete, staged procedure. Here, the position and orientation of the instrument tip is continuously determined and used for appropriate control.

Bezugszeichenliste Reference List

1 Chirurgisches Robotersystem1 Surgical Robotic System

2 Patientenfixierungseinheit2 patient fixation unit

4 chirurgischer Roboter 4 surgical robot

6 Roboterbasis 6 robot base

8 Roboterarm 8 robotic arm

10 Endeffektor 10 end effector

12 chirurgisches Instrument12 surgical instrument

14 Aufnahmeeinheit 14 recording unit

16 Sichtfeld Aufnahmeeinheit16 field of view recording unit

18 Endeffektorspitze 18 end effector tip

20 Instrumentenspitze 22 Datenbereitstellungseinheit20 instrument tip 22 data supply unit

24 Speichereinheit 24 storage unit

26 Trackingsystem 26 tracking system

28 Navigationssystem 28 navigation system

30 Steuereinheit 30 control unit

32 Anzeigevorrichtung 32 display device

34 Operationstisch 34 operating table

36 Mikroskopkopf 36 microscope head

38 Mikroskoparm 38 microscope arm

39 Armsegment 39 arm segment

40 Rollwagen 40 trolleys

42 optischer Marker 42 optical marker

44 Stereokamera 44 stereo camera

46 Fixierpins 46 fixing pins

48 Fixier-Rahmen 48 fixation frames

50 Schiene 50 rail

52 Schlitten 52 sleds

54 Klemm- und Fixierelement54 clamping and fixing element

56 KOS Patient 56 KOS patient

58 KOS Mikroskop 60 Markierungsmuster 58 KOS microscope 60 marker patterns

62 Ring 62 rings

64 Gewebe 64 tissues

3DA 3D-Aufnahmedaten 3DA 3D recording data

A optische Aufnahme A optical recording

P Patient P patient

S1 Schritt Erstellen optische Aufnahme S1 Step Create optical recording

S2 Schritt Bereitstellen 3D-Aufnahmedaten S2 Step Provide 3D recording data

S3 Schritt Nachverfolgen der Aufnahmeeinheit und des Patienten S3 Step Tracking of acquisition unit and patient

S4 Schritt Bestimmen Lage Instrumenten spitze durch maschinelles Sehen S4 Step Determine position of instrument tip by computer vision

S5 Schritt Erstellen Überlagerung von 3D-Aufnahmedaten und LageS5 Step Create overlay of 3D image data and location

Instrumentenspitze instrument tip

S6 Schritt Ausgeben Überlagerungsdarstellung und Steuerung Instrument auf BasisS6 Step Output overlay representation and control instrument on basis

Überlagerung overlay

Claims

Ansprüche Expectations 1 . Chirurgisches Robotersystem (1 ) für einen chirurgischen Eingriff bei einem Patienten (P) mit: zumindest einer Patientenfixierungseinheit (2), die dafür angepasst ist, starr und unmittelbar an dem Patienten (P), insbesondere an einem Kopf eines Patienten ( P), befestigt zu werden, um zumindest einen Körperabschnitt des Patienten (P) mit einem Eingriffsbereich starr gegenüber der Patientenfixierungseinheit (2) zu fixieren; und zumindest einem chirurgischen, steuerbaren Roboter (4) mit einer Roboterbasis (6), die direkt mit der Patientenfixierungseinheit (2) verbunden ist, sowie einen an die Roboterbasis (6) angebundenen beweglichen Roboterarm (8) und einem an den Roboterarm (8), insbesondere einer endständigen Seite des Roboterarms (8), angebundenen, insbesondere gelagerten, Endeffektor (10), insbesondere einem chirurgischen Instrument (12). 1 . Surgical robotic system (1) for a surgical operation on a patient (P), comprising: at least one patient fixation unit (2) adapted thereto, rigidly and directly attached to the patient (P), in particular to a patient's (P) head to be fixed at least a body portion of the patient (P) with an engagement area rigidly with respect to the patient fixation unit (2); and at least one surgical, controllable robot (4) with a robot base (6) which is directly connected to the patient fixation unit (2), as well as a movable robot arm (8) connected to the robot base (6) and a robot arm (8) , In particular a terminal side of the robot arm (8), connected, in particular mounted, end effector (10), in particular a surgical instrument (12). 2. Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chirurgische Robotersystem (1) ferner aufweist: zumindest eine optische Aufnahmeeinheit (14), die dafür angepasst ist, eine Aufnahme (A) des Eingriffsbereichs und einer Endeffektorspitze (18), insbesondere einer In strumenten spitze (20), zu erstellen und computerlesbar bereitzustellen; einer Datenbereitstellungseinheit (22), insbesondere einer Speichereinheit (24), welche dafür angepasst ist, digitale 3D-Aufnahmedaten (3DA), insbesondere präoperative 3D-Aufnahmedaten (3DA), des Patienten (P) bereitzustellen; einem Trackingsystem (26), insbesondere einem chirurgischen Navigationssystem (28), welches dafür vorgesehen und angepasst ist, zumindest die optische Aufnahmeeinheit (14) und zumindest den Körperanschnitt des Patienten (P), der gegenüber der Patientenfixierungseinheit (2) fixiert ist, im Raum zu erfassen und nachzuverfolgen, und einer Steuereinheit (30), welche dafür vorgesehen und angepasst ist, eine Position, insbesondere eine Position und Orientierung, der Endeffektorspitze (18) zu bestimmen und eine Überlagerung (U) mit den 3D-Aufnahmedaten (3DA) einerseits und der positionskorrekt überlagerten Position, insbesondere der lagekorrekt überlagerten Position und Orientierung, der Endeffektorspitze (18) andererseits zu erzeugen und durch eine Anzeigevorrichtung (32) als Überlagerungsdarstellung visuell auszugeben und/oder den Endeffektor (10) auf Basis der Überlagerung (U) zu steuern. 2. Surgical robot system according to claim 1, characterized in that the surgical robot system (1) further comprises: at least one optical recording unit (14) which is adapted to have a recording (A) of the surgical area and an end effector tip (18), in particular one In instrument tips (20), to create and make available in computer-readable form; a data supply unit (22), in particular a storage unit (24), which is adapted to provide digital 3D recording data (3DA), in particular preoperative 3D recording data (3DA), of the patient (P); a tracking system (26), in particular a surgical navigation system (28), which is provided and adapted for this purpose, at least the optical recording unit (14) and at least the body section of the patient (P), which is fixed relative to the patient fixation unit (2), in space to detect and track, and a control unit (30), which is provided and adapted to determine a position, in particular a position and orientation, of the end effector tip (18) and a superimposition (U) with the 3D recording data (3DA) on the one hand and the superimposed position in the correct position, in particular the superimposed position in the correct position On the other hand, to generate the position and orientation of the end effector tip (18) and to output it visually as an overlay display by a display device (32) and/or to control the end effector (10) on the basis of the overlay (U). 3. Chirurgisches Robotersystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) dafür angepasst ist, über die optische Aufnahme (A) der Endeffektorspitze (18), die Position, insbesondere die Lage, der Endeffektorspitze (18), insbesondere der Instrumentenspitze (20), gegenüber der Aufnahmeeinheit (14) durch maschinelles Sehen zu bestimmen, und über die durch das Trackingsystem (26) nachverfolgte Lage der optischen Aufnahmeeinheit (14) die Position, insbesondere die Lage, der Endeffektorspitze (18) gegenüber den 3D- Aufnahmedaten (3DA) zu bestimmen. 3. Surgical robot system (1) according to claim 2, characterized in that the control unit (30) is adapted to, via the optical recording (A) of the end effector tip (18), the position, in particular the position, of the end effector tip (18), in particular the instrument tip (20) relative to the recording unit (14) by machine vision, and using the position of the optical recording unit (14) tracked by the tracking system (26) to determine the position, in particular the position, of the end effector tip (18) relative to the 3D recording data (3DA) to determine. 4. Chirurgisches Robotersystem (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Endeffektor (10), insbesondere das Instrument (12), ein vordefiniertes optisches Markierungsmuster (60) aufweist, insbesondere in Form von zueinander beabstandeten Ringen (62) entlang einer Endeffektorachse und/oder in Form eines Punkt-Musters und/oder in Form von zumindest zwei Quadraten und/oder in Form eines QR-Codes, und die Steuereinheit (30) dafür angepasst ist, auf Basis des durch die Aufnahmeeinheit (14) erfassten optischen Markierungsmusters (60) die Position, insbesondere die Lage, der Endeffektorspitze (18), insbesondere des gesamten Endeffektors (10), zu bestimmen. 4. Surgical robot system (1) according to claim 2 or 3, characterized in that the end effector (10), in particular the instrument (12), has a predefined optical marking pattern (60), in particular in the form of rings (62) spaced apart from one another an end effector axis and/or in the form of a dot pattern and/or in the form of at least two squares and/or in the form of a QR code, and the control unit (30) is adapted thereto on the basis of that recorded by the recording unit (14). optical marking pattern (60) to determine the position, in particular the location, of the end effector tip (18), in particular of the entire end effector (10). 5. Chirurgisches Robotersystem (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zumindest einen Endeffektor (10) oder an einem endständigen Glied des Roboterarms (8) ein optischer Marker (42) angeordnet ist, der durch das Trackingsystem (26) erfasst und nachverfolgt wird, um die Position und Orientierung der Endeffektorspitze (18), insbesondere des Endeffektors (10), zu bestimmen. 5. Surgical robot system (1) according to one of Claims 2 to 4, characterized in that an optical marker (42) is arranged on the at least one end effector (10) or on a terminal link of the robot arm (8) which is monitored by the tracking system (26) is detected and tracked in order to determine the position and orientation of the end effector tip (18), in particular the end effector (10). 6. Chirurgisches Robotersystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Patientenfixierungseinheit (2) ein Kopfhalter aus der Neurochirurgie ist. 6. Surgical robot system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one patient fixation unit (2) is a head holder from neurosurgery. 7. Chirurgisches Robotersystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Patientenfixierungssystem (2) eine Schiene (50) aufweist, insbesondere eine umlaufende Schiene (50), besonders bevorzugt eine ringförmige Schiene (50), an welcher der zumindest eine Roboter (4) über seine Roboterbasis (6) befestigt ist oder über seine Roboterbasis (6) zumindest abschnittsweise entlang der Schiene (50) translatorisch bewegbar ist. 7. Surgical robot system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the patient fixation system (2) has a rail (50), in particular a peripheral rail (50), particularly preferably an annular rail (50), on which the at least a robot (4) is fixed via its robot base (6) or can be moved in a translatory manner at least in sections along the rail (50) via its robot base (6). 8. Chirurgisches Robotersystem (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Roboterbasis (6) einen Schlitten (52) mit einem Klemm- und/oder Rastelement (54) aufweist, der dafür angepasst ist, translatorisch entlang der Schiene (50) geführt zu werden und bei Aktivierung des Klemm- und/oder Rastelements (54) die Position der Roboterbasis (6) gegenüber der Schiene (50) zu fixieren und bei Deaktivierung des Klemm- und/oder Rastelements (54) wieder frei verfahrbar zu sein, um verschiedene Positionen des Roboters (4) gegenüber der Patientenfixierungseinheit (2) und damit gegenüber dem Patienten (P) einzustellen. 8. Surgical robot system (1) according to claim 7, characterized in that the robot base (6) has a carriage (52) with a clamping and/or latching element (54) which is adapted to translate along the rail (50) to be guided and to fix the position of the robot base (6) relative to the rail (50) when the clamping and/or locking element (54) is activated and to be freely movable again when the clamping and/or locking element (54) is deactivated, to set different positions of the robot (4) relative to the patient fixation unit (2) and thus relative to the patient (P). 9. Chirurgisches Robotersystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterarm (8) derart konfiguriert ist, dass dieser zumindest fünf Freiheitgrade aufweist, um den Endeffektor (10) auf eine chirurgische Eintrittsbahn auszurichten, und/oder der Endeffektor (10) selbst zumindest einen weiteren Freiheitgrad aufweist, insbesondere ein weiteres Gelenk mit zwei Freiheitsgraden aufweist, um eine zusätzliche Artikulierung innerhalb des Körpers des Patienten (P) zu ermöglichen, insbesondere, um von einer geraden Längsachse zu einer gewinkelten Längsachse des Endeffektors (10) zu wechseln. 9. Surgical robotic system (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the robotic arm (8) is configured in such a way that it has at least five degrees of freedom in order to align the end effector (10) with a surgical entry path, and/or the end effector (10) itself has at least one further degree of freedom, in particular having a further joint with two degrees of freedom, in order to enable additional articulation within the body of the patient (P), in particular in order to move from a straight longitudinal axis to an angled longitudinal axis of the end effector (10) switch. 10. Chirurgisches Robotersystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine optische Aufnahmegerät (14) ein digitales Operationsmikroskop ist, das die optischen Aufnahmen (A) der Steuereinheit (30) computerlesbar bereitstellt und weiter vorzugsweise ein robotergesteuertes Operationsmikroskop ist, um einen Mikroskopkopf (36) aktiv zu steuern und dessen Position und/oder Orientierung einzustellen. 10. Surgical robot system (1) according to one of the preceding claims 2 to 9, characterized in that the at least one optical recording device (14) is a digital surgical microscope, which provides the optical recordings (A) of the control unit (30) in computer-readable form and more preferably is a robot-controlled surgical microscope in order to actively control a microscope head (36) and adjust its position and/or orientation. 11 . Chirurgisches Robotersystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine optische Aufnahmegerät (14) ein Endoskop mit einem distalen Aufnahmekopf ist, das dafür angepasst ist, eine intrakorporale optische Aufnahme (A) des Patienten (P) zu erstellen. 11 . Surgical robot system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one optical recording device (14) is an endoscope with a distal recording head, which is adapted to create an intracorporeal optical recording (A) of the patient (P). . 12. Chirurgisches Robotersystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das chirurgische Robotersystem (1) ferner eine externe zu der Patientenfixierungseinheit (2) mit dem zumindest einen Roboter (4) separate Steuerkonsole aufweist, die manuelle Greif-Steuermittel aufweist, um eine manuelle Eingabe durch einen Nutzer auf den zumindest einen robotergeführten Endeffektor (10) zu übertragen und den Endeffektor (10) entsprechend aus der Ferne zu steuern. 12. Surgical robot system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the surgical robot system (1) also has an external control console separate from the patient fixation unit (2) with the at least one robot (4), which has manual gripping control means in order to transmit a manual input by a user to the at least one robot-guided end effector (10) and to remotely control the end effector (10) accordingly. 13. Chirurgisches Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Datenbereitstellungseinheit (22) des chirurgischen Robotersystems (1) ferner ein präoperativer Eingriffs-Plan hinterlegt ist, und die Steuereinheit (30) dafür angepasst ist, auf Basis des präoperativen Eingriff- Plans den zumindest einen Endeffektor (10) halbautonom oder vollständig autonom zu steuern, um den Eingriff durchzuführen. 13. Surgical robot system (1) according to one of Claims 2 to 12, characterized in that a preoperative intervention plan is also stored in the data supply unit (22) of the surgical robot system (1), and the control unit (30) is adapted for this, to control the at least one end effector (10) semi-autonomously or completely autonomously on the basis of the preoperative intervention plan in order to carry out the intervention. 14. Steuerverfahren für ein chirurgisches Robotersystem, insbesondere für ein chirurgisches Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses die Schritte aufweist: 14. Control method for a surgical robot system, in particular for a surgical robot system (1) according to one of claims 1 to 13, characterized in that it has the steps: - Erstellen (S1 ), durch ein optisches Aufnahmegerät (14), einer optischen Aufnahme (A) eines Eingriffsbereichs des Patienten (P) zusammen mit einer Endeffektorspitze (18) eines robotergeführten Endeffektors (10), wobei der Roboter (4) direkt mit einer starr mit dem Patienten (P) verbundenen Patientenfixierungseinheit (2) verbunden ist, und bereitstellen der optischen Aufnahme (A); - Creating (S1), by an optical recording device (14), an optical recording (A) of a surgical area of the patient (P) together with an end effector tip (18) of a robot-guided end effector (10), the robot (4) directly with a is rigidly connected to the patient (P) connected patient fixation unit (2), and provide the optical recording (A); - Bereitstellen (S2), durch eine Datenbereitstellungseinheit (22), digitaler 3D- Aufnahmedaten (3DA) des Patienten; - Providing (S2), by a data providing unit (22), digital 3D recording data (3DA) of the patient; - Nachverfolgen (S3), durch ein Trackingsystem (26), von zumindest der optischen Aufnahmeeinheit (14) und eines Körperabschnitts des Patienten (P), der gegenüber der Patientenfixierungseinheit (2) fixiert ist; und 31 - tracking (S3), by a tracking system (26), of at least the optical recording unit (14) and a body section of the patient (P), which is fixed in relation to the patient fixation unit (2); and 31 - Bestimmen (S4), durch eine Steuereinheit (30), auf Basis der optischen Aufnahme (A) einer Position, insbesondere einer Position und Orientierung, der Endeffektorspitze (18), insbesondere der Instrumentenspitze (20), gegenüber der Aufnahmeeinheit (14) durch maschinelles Sehen; - Determination (S4), by a control unit (30), on the basis of the optical recording (A) of a position, in particular a position and orientation, of the end effector tip (18), in particular the instrument tip (20), in relation to the recording unit (14). machine vision; - Erstellen (S5), durch die Steuereinheit (30), einer Überlagerung (U) mit den bereitgestellten 3D-Aufnahmedaten (3DA) einerseits und der bestimmten Position, insbesondere Position und Orientierung, der Endeffektorspitze (18) andererseits; und- Creating (S5), by the control unit (30), an overlay (U) with the provided 3D recording data (3DA) on the one hand and the determined position, in particular position and orientation, of the end effector tip (18) on the other hand; and - Ausgeben (S6) der Überlagerung (U) als Überlagerungsdarstellung durch eine Anzeigevorrichtung (32) und/oder Steuerung des Endeffektors (10) auf Basis der Überlagerung (U). - Outputting (S6) the overlay (U) as an overlay representation by a display device (32) and/or controlling the end effector (10) on the basis of the overlay (U). 15. Computerlesbares Speichermedium, das Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Verfahrensschritte des Steuerverfahrens gemäß Anspruch 14 auszuführen. 15. A computer-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the method steps of the control method according to claim 14.
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