СИСТЕМА СЛЕЖЕНИЯ ЗА ПОЛОЖЕНИЕМ ПАЦИЕНТА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ОПЕРАЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОБОТИЗИРОВАННОГО ХИРУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Полезная модель относится к роботизированной хирургии, в частности к системам слежения за положением пациента, и может быть использована для оперативного слежения за отклонением положения пациента от нулевого положения в процессе проведения эндоскопической операции с помощью роботизированного хирургического комплекса.
В роботизированной хирургии известны работы, связанные с возможностью автоматизации различных медицинских операций. Существуют готовые решения, которые применяются на практике достаточно долгое время [М.Н. Abedin-Nasab, Handbook of robotic and image-guided surgery. 2020], [C. Freschi, V. Ferrari, F. Melfi, M. Ferrari, F. Mosca, and A. Cuschieri, 'Technical review of the da Vinci surgical telemanipulator: Technical review of the da Vinci surgical telemanipulator', Int J Med Robotics Comput Assist Surg, vol. 9, no. 4, pp. 396-406, Dec. 2013, doi: 10.1002/rcs. l468], [R.H. Taylor, A. Menciassi, G. Fichtinger, P. Fiorini, and P. Dario, 'Medical Robotics and Computer-Integrated Surgery', in Springer Handbook of Robotics, B. Siciliano and O. Khatib, Eds. Cham: Springer International Publishing, 2016, pp. 1657-1684], [K.G. Chan, T. Fielding, and M. Anvari, 'An image-guided automated robot for MRI breast biopsy: IGAR for Breast Biopsy', Int J Med Robotics Comput Assist Surg, vol. 12, no. 3, pp. 461-477, Sep. 2016, doi: 10.1002/rcs. 1760]. Характерной чертой хирургических роботов является возможность проведения малоинвазивных операций, которые в большинстве случаев предполагают введение инструментов через небольшое отверстие (или разрез). При ручном проведении подобных операций позиционирование рабочей части инструмента выполнятся хирургом, и возможное смещение пациента компенсируется естественным образом. В случае применения роботов возникает достаточно сложная задача слежения за положением пациента и взаимного позиционирования инструмента в автоматическом режиме. Это требование исходит из конструктивных особенностей разработанных роботизированных хирургических систем. Жесткое крепление инструмента к роботу может привести к травмированию пациента при выборе неправильных движений инструмента или в случае смещения пациента относительно начального положения.
Для решения данной проблемы производители робототехнических комплексов предлагают различные технические решения, основанные на использовании тензометрических и прочих датчиков, оптических и неоптических визуальных системах, различных исполнительных механизмов для коррекции положения пациента. Так в [Abedin-Nasab, М., 2019. Handbook of Robotic and Image-Guided Surgery. Elsevier, San Diego.] представлена разработка роботизированной кушетки RoboCouch, которая является манипулятором с последовательным соединением звеньев. Первая ось - это вертикальная ось, обеспечивающая движение по оси Z, с двумя последующими осями, обеспечивающими плоское движение по осям X/Y, за которыми следует «запястье», пересекающееся по трем осям для обеспечения возможности вращения. Эта конструкция позволяет врачу-специалисту полностью выровнять пациента во всех 6 степенях свободы без необходимости физически непосредственно воздействовать на пациента в процедурной комнате. RoboCouch калибруется для остальной части системы путем выполнения последовательности движений кушетки и отслеживания калибровочных целей с помощью системы рентгеновского изображения. Коррелируя собственные координаты кушетки с координатами системы визуализации, система может точно регулировать положение пациента на основе результатов системы визуализации.
Группа изобретений RU 2687883 С2 описывает устройство слежения за объектом, являющимся пациентом или медицинским инструментом. Слежение за объектом для медицинской системы и получение изображений для слежения за заданным подвижным объектом осуществляется с помощью специального компьютерно-читаемого носителя, на котором хранится элемент компьютерной программы управления устройством, в котором реализован способ слежения. Сам способ слежения основан на обработке оптических изображений от первичного и вторичного блоков получения изображений.
Основным недостатком указанных решений является необходимость постоянного присутствия детекторов изображений (оптического и/или рентгеновского) в зоне перемещения инструмента и вспомогательных устройств, что может препятствовать выполнению терапии, а также необходимость использования различного рода признаков/маркеров, которые располагаются на теле пациента и/или на инструменте.
Существуют подходы, использующие не визуальные способы слежения. Документ RU 2016591 C1 раскрывает описание устройства для контроля положения объекта при лучевой терапии. Данная разработка предназначена для использования в медицинской технике, а именно в устройствах для лучевой терапии злокачественных опухолей. В своем составе устройство содержит лечебный стол для размещения пациента, блок контактных датчиков на поверхности стола для регистрации положения в виде двухмерной матрицы, и систему обработки отображения информации. Пациент, размещенный на лечебном столе, своим весом вызывает срабатывание определенного количества датчиков, данная информация фиксируется как начальное положение, и при любом изменении положения пациента комбинация датчиков будет меняться, что обрабатывается соответствующим образом. Точность работы такого устройства зависит от числа и мест установки датчиков, что является индивидуальным для каждого пациента. Данное обстоятельство может быть рассмотрено как недостаток. Кроме того, данный способ не дает возможности локализации инструмента при смещении пациента без применения дополнительных средств.
В работе [Финаев В.И., Синявская Е.А., Шестова Е.А., Косенко Е.Ю. Метод позиционирования роботизированного держателя лапароскопа на основе вычислительной геометрии // Известия ЮФУ. Технические науки. 2016. №2 (175). URL: https://cyberlemnka.ru/article/n/metod-pozitsionirovaniya-robotizirovannogo-derzhatelya-laparoskopa-na-osnove-vychislitelnoy-geometrii (дата обращения: 22.10.2020)] предложено решение задачи позиционирования роботизированного держателя лапароскопа (в том числе и хирургических инструментов) в процессе проведения малоинвазивных операций. В качестве технического решения, на основе которого разрабатывался метод позиционирования, использовалась система оптических триангуляционных датчиков, используемых для определения положения контролируемых объектов. Предложено следить за положением пациента с помощью триангуляционных датчиков по установленным меткам на инструменте и в точке надреза, через который инструмент вводится в тело пациента. Система активного слежения в реальном времени вычисляет пространственное положение инструмента внутри тела пациента по данным с внешних датчиков. В случае изменения положения пациента производится перерасчет координат инструмента. Основным недостатком такого решения является то, что между системой измерения и установленными датчиками не должно быть препятствий. В противном случае система не сможет распознавать координаты меток. Данное обстоятельство требует наличия зоны запретной для нахождения людей и различного оборудования между пациентом и оптическим считывателем. К недостаткам так же можно отнести высокую стоимость подобных систем позиционирования в некоторых случаях сопоставимую со стоимостью всего робототехнического комплекса.
Предлагаемая система решает три задачи: позиционирование роботизированного хирургического комплекса перед началом операции; наблюдение за отклонением положения пациента от нулевого положения; коррекция положения пациента относительно рабочего инструмента в случае отклонения во время операции. Под нулевым положением в заявке понимается такое расположение пациента относительно роботизированного хирургического комплекса, при котором точка пересечения главных осей вращения совпадает с точкой вращения рабочего инструмента. Изменение положения конструкции комплекса выполняется тремя приводами в трех пространственных координатах: «вперед-назад», «вправо-влево», «вверх-вниз».
Технический результат достигается тем, что наблюдение за положением пациента осуществляется с помощью двух датчиков углов поворота, распложенных в узлах свободного вращения роботизированного хирургического комплекса. В нулевом положении углы поворота, измеряемые датчиками, так же нулевые.
В случае если пациент смещается в вертикальной плоскости, рабочий инструмент также отклоняется в вертикальной плоскости. Компенсация такого отклонения возможна путем перемещения конструкции комплекса в вертикальной плоскости.
0
Опишем схематично поведение системы в случае смещения пациента в вертикальной плоскости. Предположим, что пациент находится выше требуемой точки вращения. На фиг. 1 изображено такое смещение, где А - точка пересечения основных осей вращения инструмента с помощью роботизированного хирургического комплекса; В - точка, через которую проходит ось узла свободного вращения; С - точка входа инструмента в тело пациента; α - угол, измеряемый датчиком, установленном в узле свободного вращения; штрихом обозначено новое положение точки В относительно предыдущего.
0
0
Работа системы слежения при коррекции положения в вертикальной плоскости выполняется следующим образом. При обнаружении не нулевого значения утла α включается вертикальный привод. Положительное значение угла значит, что пациент находится выше, чем необходимо. Для компенсации этого конструкция комплекса смещается вверх до тех пор, пока значение угла не станет нулевым. В случае отрицательного значения угла α - пациент находится ниже требуемого положения, и конструкция смещается вниз.
0
0
0
Рассмотрим работу системы в случае смещения пациента в горизонтальной плоскости. Если смотреть сверху, то пациент может сместиться вперед-назад вдоль оси инструмента и вправо-влево относительно основания комплекса. Перемещение вправо-влево компенсируется аналогично вертикальному смещению пациента. На фиг. 2 изображено смещение пациента вправо относительно роботизированного хирургического комплекса. При этом датчик, расположенный в узле свободного вращения в горизонтальной плоскости, выдает ненулевую величину угла β, которая означает, что пациент смещен в сторону и необходима компенсация. Компенсация выполняется приводом, смещающим конструкцию комплекса вправо-влево относительно пациента. В случае, изображенном на фиг. 2, пациент сместился вправо и величина угла β положительна, это значит, что необходимо смещать конструкцию вправо до тех пор, пока угол β не станет нулевым.
0
Более сложная ситуация наблюдается в случае смещения пациента вдоль оси инструмента. На фиг. 3 изображено такое смещение. Отметим, что угол β при этом не меняется и остается нулевым. Это значит, что система не сможет определить куда сместился пациент. Через С' обозначено расположение точки входа инструмента в тело пациента после смещения.
0
0
При вращении инструмента относительно оси, проходящей через точку А (главная вертикальная ось вращения) будет наблюдаться отклонение угла β от нулевого значения. Величина угла β будет прямо пропорциональна углу поворота инструмента в горизонтальной плоскости. Таким образом, можно установить, что пациент смещен вдоль оси инструмента и компенсировать это с помощью приводов, смещающих всю конструкцию вперед-назад.
Смещение пациента приведет к изменению пространственных координат точки входа инструмента в тело пациента С. Обозначим их х, у, z, где х - смещение координаты точки входа инструмента «вправо-влево» относительно робота; у - смещение точки входа инструмента «вперед-назад» относительно робота; z - смещение точки входа инструмента в вертикальной плоскости. С учетом приведенного выше запишем систему уравнений, связывающих смещение пациента со значением датчиков углов поворота узлов свободного вращения.
z
0
z
0
При смещении пациента в вертикальной плоскости величина z изменится на Δz, где Δz=Kα - изменение положения в вертикальной плоскости; K - коэффициент, связывающий вертикальной смещение с величиной угла α. Таким образом, для компенсации смещения пациента в вертикальной плоскости необходимо сместить конструкцию в вертикальной плоскости на величину:
0
0
z
0
z+Δz=z+K⋅α.
Аналогичным образом записывается компенсация смещения пациента «вправо-влево»:
0
0
z
0
х+Δх=х+K⋅β.
Компенсация смещения пациента «вперед-назад» строится с учетом текущего угла поворота инструмента β:
0
0
y
0
y+Δy=y+K⋅β⋅β.
0
0
0
0
0
0
0
Реализация на практике компенсации смещения пациента по указанным выше выражениям возможна при условии измерения величин x, y, z и α, β с помощью датчиков обратной связи потому, что результатом расчетов будет величина, на которую необходимо сместить робототехнический комплекс. Для решения поставленной задачи с помощью двух датчиков, измеряющих углы α и β, необходимо следующее: в случае обнаружения отклонения выполнять компенсирующее движение до тех пор, пока отклонение не будет минимизировано.
Предлагаемая полезная модель обладает следующими преимуществами:
измерение отклонения пациента от нулевого положения по трем пространственным координатам с помощью двух датчиков углов поворота, распложенных в узлах свободного вращения роботизированного хирургического комплекса;
описываемая система является реализацией системы с пассивной безопасностью потому, что пациент во время проведения операции сохраняет подвижность;
возможна компенсация перемещений пациента по трем пространственным координатам с использованием следящей системы.