Устройство для симуляции полостных оперативных вмешательств с тактильной обратной связью

Полезная модель относится к устройствам программного управления и может быть использована в качестве управляющего элемента (манипулятора) в современных обучающих хирургических системах для симуляции полостных оперативных вмешательств, при этом ввод координат рабочего конца инструмента в систему сопровождается одновременным выводом на устройство ввода данных силы, имитирующей тактильную обратную связь и применяется для усиления реалистичности эффекта при обучении.
Симуляционное обучение широко применятся в настоящий момент в медицине. Созданы различного рода программные и аппаратные средства, позволяющие с достаточно большой степень реализм производить в виртуальном пространстве различные хирургические манипуляции с объектами, имитирующими внутренние органы человека. Однако, большинство этих систем в качестве устройства управления используют обычный джойстик или мышь; в ряде случаев используются специальные приспособления (эйдос), имитирующие рукоятки инструментов, смену инструментов, различного рода приборы из окружения хирурга (аспиратор, коагулятор и т.п.). Однако, подавляющее большинство этих систем не способно создавать при работе с ними тактильные ощущения, так необходимые для выработки и закрепления хирургических навыков.
Существуют системы управления с тактильной обратной связью, так называемые гаптик-устройства, которые позволяют вводить координатную информацию в компьютер, и, таким образом, являются координатными манипуляторами, однако при этом могут являться и устройствами вывода, прилагая к руке оператора усилие, направленное в ту или иную сторону. Эти устройства используются для создания тактильного образа какого-либо виртуального предмета и встречаются в компьютерных играх, различных системах виртуальной реальности, трехмерной компьютерной графики (лепки и моделирования), медицинских системах, а также для управления различными робототехническими устройствами [T.R. Coles, D. Meglan, N.W. John. The role of haptics in medical training simulators: a survey of the state of the art. // Haptics, IEEE Transactions, 4(1):51-66, 2011]. Для создания таких устройств нередко используются кинематические схемы параллельных механизмов, например, дельта-механизмы [S. Martin, N. Hillier Characterisation of the novint falcon haptic device for application as a robot manipulator // In Australasian Conference on Robotics and Automation (ACRA), 2009, pp 291-292], ввиду того что они устойчивы и стабильны в пространстве, а также позволяют прилагать большую силу и создавать более реалистичные тактильные ощущения.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является Novint Falcon (далее гаптик-устройство), представляющий из себя дельта-механизм.
Подобное гаптик-устройство имеет ограниченное число степеней свободы (три степени свободы, 3 DOF - degrees of freedom). Для создания на его основе симулятора для полостных оперативных вмешательств необходимо большее число степеней свободы - требуется знание об ориентации и наклоне инструмента в пространстве, кроме данных о положении его рабочего конца, предоставляемых оригинальным гаптик-устройством. Кроме этого, гаптик управляет лишь одной активной точкой (точка приложения силы), расположенной на площадке дельта-механизма. Для имитации полостных операций необходимо положение лапароскопического инструмента, заданное в пространстве двумя точками - точкой входа (местом установки троакара на брюшной стенке) и точкой, определяющей рабочий конец инструмента.
Нами впервые предлагается устройство ввода с тактильной обратной связью, которое состоит из карданного механизма с возможностью регистрации его положения в пространстве датчиками, жестко закрепляемого через рычаг к площадке оригинального гаптик-устройства, реализующего трехкоординатный пространственный ввод с возможностями тактильной обратной связи, при этом рабочий конец имитатора лапароскопического инструмента жестко фиксируется в центре вращения карданного механизма, а с другой стороны его шток проходит через троакар, установленный в отверстии, выполненном в эластичном имитаторе передней брюшной стенки, под которым закреплено гаптик-устройство.
Общий вид полезной модели хирургического симулятора с тактильной обратной связью представлен на Фиг 1, более подробно полезная модель изображена на Фиг. 2, где:
1 - гаптик-устройство на основе дельта-механизма
2 - площадка дельта-механизма
3 - карданный механизм
4 - центр вращения карданного механизма
5 - имитатор лапароскопического инструмента
6 - троакар
7 - имитация передней брюшной стенки
8 - рама (корпус) устройства
9 - рукоятка имитатора лапароскопического инструмента
Карданный механизм 3 жестко закрепляется на площадке 2 дельта механизма оригинального гаптик-устройства 1. В центр вращения 4 карданного механизма 3 закреплен рабочий конец имитатора лапароскопического инструмента 5. Данное устройство позволяет при движениях, осуществляемых оператором за рукоятку, не стеснять движений оператора в пределах заданного числа степеней свободы карданного механизма 3, при этом данные о положении в пространстве рабочего конца инструмента 5 будут сниматься с датчиков, расположенных в карданном механизме 3 (которые могут иметь различный принцип действия - датчики угла поворота, электронные акселерометры и гироскопы и др.)- Это обеспечивает высокую точность данных о положении рабочего конца инструмента 5 в пространстве, включая ее наклоны и повороты вокруг своей оси. Таким образом, основные координаты положения в пространстве будут считаны с оригинального устройства дельта-механизма, и дополнены данными о положении рабочего конца инструмента 5 в пространстве с датчиков карданного механизма 3. Сила, создаваемая дельта-механизмом гаптик-устройства будет приложена к площадке 2, однако учитывая жесткую связь с ней карданного механизма и укрепленной в центре вращения 4 карданного механизма 3 рабочего конца инструмента 5 эта сила будет передана на руку оператора, обеспечивая тактильную обратную связь. Гаптик-устройство 1 установлено внутри рамы 8, по размерам сходной с брюшной полостью человека, верхнюю крышку которой представляет из себя имитатор передней брюшной стенки 7, выполненный из эластичного материала (силикона, резины и др.). В стандартном месте проведения лапароскопической процедуры в имитаторе передней брюшной стенки 7 установлен пенетрирующий ее троакар 6, через который проходит имитатор лапароскопического инструмента 5. Имитатор лапароскопического инструмента 5 проходит внутри троакара 6 таким образом, что возможны свободные движения его внутри трубки троакара 6 - линейные перемещения по оси троакара 6 и вращение в нем.
Таким образом, обучающийся, управляя с помощью рукоятки 9 имитатором лапароскопического инструмента 5 одновременного указывает координаты, где находится рабочий конец инструмента в виртуальном пространстве симулятора, а также получает тактильные ощущения от гаптик-устройства. Установленный в имитатор передней брюшной стенки 7 троакар 6 создает точку входа и точку вращения лапароскопического инструмента, что создает реалистичность проводимой симуляции оперативного вмешательства
Благодаря применению описанного устройства, обладающего дополнительными степенями свободы ввода за счет возможности считывания ориентации карданного механизма в пространстве датчиками, значительно расширяются возможности создания хирургических симуляторов полостных оперативных вмешательств с использованием гаптик-устройств на основе дельта-механизмов, создающих реалистичную обратную связь и имитирующее основные условия проведения полостных операций.