Studenten
Wettbewerb
ENTWICKLUNG
EINES
MULTIFUNKTIONSINSTRUMENTS
FÜR
DIE
LAPAROSKOPISCHE
CHIRURGIE
Timo
Schröder,
Dipl.-fng.
Peter Diesing
Institut
für
Biomcdizinische
Technik,
TU
Berlin,
Deutschland
Abstract—
Chirurgische
Eingriffe
werden
zunehmend
minimul-invasiv
durchgeführt,
um die
Belastung
der
Pati-
enten
durch
die
Operation
zu
verringern.
Die
Innovation
der
hier
vorgestellten
technischen Lösung besteht
darin,
dass
die
einzelnen
Instrumente,
die
für
verschiedene Ope-
rationsschritte
erforderlich
sind,
in
einem gemeinsamen
Handgriff
iiisammengefasst
und
damit
im
Operationsfeld
simultan
und
rasch austauschbar vorgehalten
werden
können.
Durch
die
Verwendung
von
verschiedenen
Aktua-
toren
erfolgt
der
Wechsel
zwischen
den
integrierten
In-
simmenten
automatisiert,
so
dass eine Einhandbedienung
gewährleistet
ist.
Keywords—
laparoscopic
Instrument,
endoscopic
Instru-
ment,
multifunctional,
interchangeable
operating
unit
Einleitung
Für
die
Durchführung
minimal-invasiver
Operationen
ist
der
Einsatz unterschiedlicher Instrumente
unerlässlich.
So
sind
in der
Regel
zumindest
Scheren, Zangen
und
Haken
mit
Hochfrequenzanschlüssen
für
die
Koagulation not-
wendig.
Der
Operateur wird normalerweise immer
mit der
gleichen
Hand arbeiten
und mit
einem Halteinstrument
in
der
anderen Hand seine Arbeit unterstützen. Dies
bedeutet,
dass
er bei
jedem Wechsel
das
bisherige Instrument
aus
dem
Trokar
herausziehen,
bei der
OP-Schwester oder
Assistenten
gegen
das
gewünschte andere austauschen
und
dieses wieder
in den
Trokar
einfuhren
muss.
Hierbei gibt
es
einige kritische Punkte,
die im
folgenden kurz Betrach-
tet
werden sollen:
1.
Die
Gefahr
der
Verunreinigung durch Keime
ist
außer-
halb
des
Bauchraumes wesentlich größer.
2.
Der
Wechsel
des
Instruments nimmt Zeit
in
Anspruch,
während
der der
Operateur
zur
Untätigkeit verdammt
ist
3. Es ist
eine steril arbeitende OP-Schwester speziell
zur
Instrumentenverwaltung
notwendig.
4. Die
Kommunikation
mit der
OP-Schwester muss
funk-
tionieren,
damit immer
das
gewünschte Instrument
in der
gewünschten
Form
überreicht wird.
5. Das
Einfuhren
des
Instruments
in den
Trokar
ist
eine
relativ
hakelige Angelegenheit.
6. Der
Operateur muss sein Instrument
jedes
Mal neu im
Operationsfeld
orientieren.
Durch
diese Einflussfaktoren
wird
der
Operateur insofern
bei
seiner Arbeit behindert,
als
dass
er
eventuell
auf den
Einsatz eines Instruments verzichtet,
oder
ihn
hinauszögert,
um
möglichst wenige Wechsel
zu
haben. Dies kann
die
Qualität
der
Operation negativ beeinflussen.
Einen
besonderen ökonomischen Faktor stellt
der
Zeitauf-
wand
der
Instrumentenwechsel
dar.
Durch
eine
Beschleu-
nigung
der
Instrumentenwechsel kann kostbare OP-Zeit
und
eventuell sogar Personal eingespart werden.
Im
Rahmen dieser Arbeit wurden
in
einer kurzen klini-
schen
Studie verschiedene Ärzte
bei
laparoskopischen
Cholesystektomien
beobachtet
und die
benutzten Instru-
mente,
die
Anzahl
der
Instrumentenwechsel, sowie deren
die
Einsatzzeiten
und die
Dauer
der
Wechsel ausgewertet.
Insgesamt wurden
12
OPs
ausgewertet.
Bei
diesen Opera-
tionen
fanden
zwischen
7 und 32
Wechsel statt.
Sie
dauer-
ten
dabei zwischen
10 und 32
Sekunden. Durchschnittlich
vergingen
24s
zwischen
dem
Herausziehen
des
einen
und
dem
ersten
gezielten
Einsatz
des
neuen Instruments. Selbst
bei
einem sehr erfahrenen
und
zügig arbeitenden Arzt
lagen
die
Wechselzeiten
im
Durchschnitt
bei
18s.
Bei
einer Reduzierung
der
Instrumentenwechseldauer
auf
ca. 5s
können
pro
Operation schnell mehrere Minuten
eingespart werden. Selbst
bei dem
oben genannten erfah-
renen
Arzt
hätten
ca. 7%
OP-Zeit
gewonnen werden kön-
nen.
Stand
der
Technik
In der
minimal-invasiven
Chirurgie werden Instrumente
mit
Durchmessern
von 3, 5 und
10mm verwendet.
Am
verbreitetsten
sind
5mm-Instrumente.
Solche
mit
10mm
Durchmesser werden vorwiegend
für
sperrige Instrumente
oder Kameraoptiken verwendet.
Die
3mm-Instmmente
werden
von
vielen Ärzten
als zu
labil empfunden
und
dementsprechend gemieden.
Die
Idee
für das
Multifunktionsinstrument
besteht
darin,
mehrere
der
kleinen Instrumente
auf der
Querschnittsflä-
che
eines Instruments
mit
10mm Durchmesser unterzu-
bringen.
In der
Vergangenheit wurden
zwar
schon mehrere Versu-
che
unternommen, Instrumente
zu
entwickeln,
die
mehrere
Funktionen
in
sich
vereinigen,
allerdings waren
diese
Lö-
sungen
auf
manuelle Bedienung
angewiesen.
Dies
bedeu-
tet,
dass
der
Benutzer
zum
Wechsel
der
Funktionen eine
zweite Hand benötigt.
Der
Operateur
ist
also entweder
gezwungen,
das
Instrument
in
seiner
zweiten Hand
loszu-
lassen oder
er
benötigt
die
Hilfe
einer zweiten Person.
Dieser Umstand kann
zu
einer ruckartigen Bewegung
fuhren
und
somit
ein
Verreißen
des
Instruments
zur
Folge
haben.
803
Biomedizinische
Technik
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Band
47
·
Ergänzungsband
l ·
Teil
2 ·
2002
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Studentenwettbewerb
Funktionsumfang
Bei
der
hier vorgestellten Lösung wurde
ein
5mm-
Instmment
und
zwei
3mm-Instrumente
ideal
auf der
Quer-
schnittsfläche
eines
lOmm-Instruments
verteilt.
Die
beiden
3mm-Querschnitte
können
mit
Scheren, Zan-
gen
oder
Koagulationshaken bestückt werden. Hier tritt
die
bereits erwähnte Labilität allerdings nicht auf,
da
lediglich
die
Instrumentenspitze
aus dem
Führungsprofil herausragt
- der
restliche Schaft wird durch
das
Profil gestützt.
Der
5mm-Querschnitt
nimmt Zusatzfunktionen,
wie
z.B.
einen
Clipapplikator
auf.
Wenn
man die 3
Querschnitte
auf dem
lOmm-Querschnitt
verteilt, dann
wird
die
Fläche
nicht komplett ausgenutzt
(Abbildung
1). Auf der
Restfläche kann dann noch
ein
runder Querschnitt
von bis zu
2,8mm Durchmesser, also
6,2mm2
oder
ein
Profilrohr
mit bis zu
18,2mm2
Quer-
schnittsfläche untergebracht werden. Hier kann ideal
ein
Spül-/Saug-Rohr
untergebracht werden. Damit
hat
diese
Lösung einen Funktionsumfang,
der
bisher nicht erreicht
wurde.
Ein
Kritikpunkt
der
Chirurgen
an der
minimal-invasiven
Therapie
ist,
dass
der
Operateur durch
das
Instrument
nur
ein
eingeschränktes
Gefühl
für das
Gewebe hat. Deshalb
ist das
Muitifunktionsinstrument
aus
drei separaten Instru-
menten
aufgebaut,
die
sich lediglich
in
einem Gehäuse
befinden.
Jedes
besitzt
seinen eigenen Auslösehebel.
So
wird
die
taktile
Rückmeldung
der
Instrumente nicht weiter
als
bei
konventionellen endoskopischen Instrumenten
eingeschränkt
Die
kleinen Instrumente
mit 3mm
Durch-
messer
werden
mit
Zeige-,
Mittel
und
Ringfinger
geschlos-
sen und mit dem
kleinen Finger wieder
geöffnet.
Das 5mm
Instrument wird
mit dem
Daumen
ausgelöst
und
mitteis
einer Feder wieder
in
Position gebracht. Hier
ist die
taktile
Rückmeldung weniger wichtig,
da der
Clipapplikator
lediglich fest
geschlossen
werden
muss.
Um
mit den
drei Instrumenten arbeiten
zu
können, müssen
diese
axial
gegeneinander
verschiebbar
sein,
so
dass
sich
immer
nur ein
Instrument zeitgleich
im
Operationsfeld
05mm-Instrument
x
Spülschlauch
03mm-Instrument
Abbildung
1:
Führungskanäle
mit
Spülschlauch (links
aus
Stahlrohren,
rechts
mit
Kunststoff-Profilrohren
befindet.
Jedes
der
drei Instrumente
ist am
proximalen
Ende
auf
einem Schlitten befestigt,
der das
Verschieben
relativ
zu dem
lOmm-Führungsrohr
gewährleistet.
Die
Übertragung
der
Energie
zum
Drehen
der
Instrumente
erfolgt
über Zahnradgetriebe ebenfalls
dort
Das ge-
wünschte Instrument ragt 30mm
aus dem
distalen
Ende
des
lOmm-Fühningsquerschnitts
heraus.
So ist das
aktive
Instrument immer optimal sichtbar.
Um
aber eine Ein-
handbedienung
zu
ermöglichen muss
das
Verschieben
der
Instrumente durch
Aktuatoren
erfolgen.
Gleiches
gilt
für das
Drehen
der
Instrumente.
Um dem
Operateur
ein
angenehmes Arbeiten
zu
ermöglichen,
ist es
unumgänglich,
dass
die
Instrumente
um
ihre Langsachse
drehbar ausgeführt werden.
So
kann
er
jedes
Instrument
nach
seinen Bedürfhissen ausrichten
und
eine
ergonomi-
sche Haltung einnehmen.
Bei
konventionellen Instrumenten
für die
minimal-invasive
Chirurgie
wird
hierzu
ein
Ring
um den
Instrumentenschaft
angeordnet,
an dem
dieser rastend gedreht werden kann.
Aufgrund
der
räumlichen Enge
ist
dies
bei dem
Multifunk-
tionsinstrument nicht möglich. Deshalb werden hier
auch
für
diese
Funktion
Akuatoren
verwendet.
Abbildung
2:
Modell
des
laparoskopischen
Multifunktionsinstroments
(Das
linke
3mnvlnstnimcnt
ist
in
ArbatspoM
tion.
Der
Hebel
des
rechten
3mm-Instruments
ist im
Handgriff
versenkt)
Biomedizinische
Technik
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47
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Ergünzungsband
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Teil
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Studenten
Wettbewerb
l;ür
ein
feinfühliges
Justieren
bzw.
Verschieben
der In-
strumente
bieten
sich
Mini-Schrittmotoren
mit
vorgeschal-
teten
Planctcngctriebcn
an.
Diese
sind
präzise
7ti
steuern,
leicht
und vor
allem
ruck
frei.
Dadurch
ist
sichergestellt,
dass
der
Operateur
das
Multifunktionsinstnimcnt
während
des
gesamten
Einsatzes
in
Position
halten
kann.
Das
Gehäuse
des
Multifunktionsinstrumcnts
ist
zweigeteilt
(Abbildung
2).
In
dem
oberen Teil
befinden
sich
die
Moto-
ren
und
Teile
der
Bedienelektronik.
Er
kann mittels
Spannhebeln
an dem
unteren
Teil befestigt werden.
Der
untere
Teil wurde unter ergonomischen Gesichtpunkten
wie
ein
Pistolengriff
geformt
auf dem die
drei
Instrumen-
tenschlitten,
Teile
der
Mechanik
und die
Aufnahme
des
Führungsrohres
platziert
sind.
Die
Hebel
der
3mm-
Instrumente
befinden sich
an der
Vorderseite
des
Hand-
griffs.
Sie
liegen nebeneinander
und
werden beim Zurück-
schieben
der
Schlitten
im
Handgriff
versenkt.
Der
Drücker
des 5mm
Instruments befindet sich
auf
dessen
Rückseite
und
wird
ebenfalls
mit den
Schlitten verschoben.
So
wird
ein
versehentliches Auslösen
der
Instrumente
oder
deren
Verwechslung
vermieden.
Die
Trennung
der
Funktionseinheiten
Motor/Elektronik
und
Mechanik erleichtert
die
Reinigung.
Der
untere
Ge-
häuseteil
kann
mit dem
gängigen Methoden (Ultraschall-
bad, Dampfsterilisation) gereinigt werden.
Das
obere
Ge-
häuse wird durch eine sterile Einwegtasche
und
eine auf-
wendige Dichtung
zum
unteren Gehäuseteil
vor
Kontermi-
nation
geschützt.
Ausblick
Zur
Zeit gibt
es
Bestrebungen, Operationen
mit
Robotern
durchzufuhren
und
Patienten mittels
Telemedizin
zu
thera-
pieren.
Der
Vorteil dieser Methode liegt darin,
dass
der
Mediziner
nicht
auf die
räumliche Nähe
zu dem
Patienten
angewiesen ist.
Er
kann seine Instrumente
über
große
Entfernungen
fernsteuern. Außerdem können
die
Roboter,
die
die
Steuerbefehle umsetzen, präziser
und
vor
allem
ruhiger arbeiten,
als es ein
Mensch kann.
Das
hier
vorgestellte
Multifonktionsmstrument
geht
bereits
einen
Schritt
in
diese Richtung. Durch
die
Integration
der
verschiedenen
Aktuatoren
werden Funktionen,
die
bislang
manuell
durch
den
Operateur durchgeführt werden
muss-
ten
automatisiert.
Außerdem kann
ein
medizinischer Roboter
nur
dann sinn-
voll
und
wirtschaftlich sein, wenn
er
schnell
und
komfor-
tabel
verschiedene
Operationsschritte
durchführen
kann.
Die
Integration
von
vier verschiedenen Instrumenten
in
einem
erfüllt auch
diese
Anforderung. Lediglich
die
Auslö-
sung
der
Instrumente erfolgt momentan rein manuell,
da
dies momentan
für den
Operateur
vor
Ort
angenehmer ist.
Auch
hier
ist
aber eine Ansteuerung
mit
Aktuatoren
in
Verbindung
mit
Kraftmessern denkbar.
805
Biomedizinische
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·
Band
47
·
Ergänzungsband
l
·
Teil
2
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2002
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