УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ХИРУРГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА В ПРОСТРАНСТВЕ

Полезная модель относится к медицине и ветеринарии и может быть использована при хирургических вмешательствах для удержания и позиционирования в пространстве хирургических инструментов с возможностью дистанционного управления ими.
Известны различного рода устройства, которые предназначены для удержания хирургических инструментов и позиционирования их в пространстве при выполнении различных оперативных вмешательств, как правило лапароскопических или эндоскопических. Подобные устройства можно разделить на пассивные и активные устройства. Пассивные устройства предназначены только для удержания хирургического инструментария (например, эндоскопа) в заданном положении; для изменения их положения в пространстве необходимо непосредственное участие человека. Примером пассивных устройств могут служить серийные механизмы Point Setter (Storz), StrongArm System (DB Medical). Основной недостаток таких систем - отсутствие способности к самостоятельному перемещению инструмента в пространстве, что весьма необходимо в современных условиях при проведении хирургических вмешательств.
Активные устройства могут не только удерживать хирургический инструмент в заданной позиции, но и изменять его положение без непосредственного воздействия на сам механизм человека, подчиняясь его дистанционным командам, фактически являясь роботизированным манипулятором.
Для дальнейшего рассмотрения роботизированных систем необходимо понятие о точке вращения (rotation point, rotation center). Точка вращения является местом проникновения инструмента в тело человека - через отверстие в поверхности кожи, либо через прокол, сделанный троакаром. При этом поверхность кожи будет являться точкой вращения инструмента, который ни при каких условиях не может переместиться из этой точки, так как смещение от этой точки приведет к тяжелой травме с разрывом кожных покровов. Существуют несколько способов соблюсти постулат о точке вращения при создании хирургического робота - устройства для позиционирования хирургического инструмента в пространстве. Например, точка вращения является пассивным шарниром, на конце позиционирующего механизма робота, при закреплении хирургического инструмента применяется 2 пассивных шарнира (или один сферический). Таким образом, как бы имитируется работа рук хирурга-человека. Троакар не связан в этом случае с позиционирующим его механизмом робота и перемещается за счет движений инструмента, как и в традиционной лапароскопии. Подобную концепцию использовала одна из первых роботизированных хирургических систем «ZEUS» (CA Motion, USA) [Marescaux J., Rubino F. The ZEUS robotic system: experimental and clinical applications / Surg. Clin. N. Am. - 2003. - Vol. 83. - pp. 1305-131.]. В качестве позиционирующего инструмент механизма была использована роботизированная рука типа SCARA. Подобный подход можно назвать «пассивной точкой вращения» (PRC, passive rotation center), он имеет ряд недостатков - повышенная нагрузка на тонкий длинный инструмент, возможности его изгиба, а также смещения точки вращения при оперировании; невозможность работы вне троакара - в естественных отверстиях - полости рта, глотке, трансаксиальном доступе и т.п.
При создании кинематической схемы робота можно механически вынести движения, совершаемые инструментом в точке вращения в другую точку, при этом в точке вращения движения инструмента будут копировать движения в перенесенной точке вращения. Подобная система называется «удаленная точка вращения» или «перенос точки вращения» (remote rotation center, RRC). Подобный перенос точки вращения можно выполнить при использовании сферического механизма, что имеет ряд недостатков, главный из которых - слабая предсказуемость движений изогнутых рычагов для персонала операционной, ввиду чего возможны многочисленные коллизии [Lum M.J.H., Rosen J., et al. Optimization of a Spherical Mechanism for a Minimally Invasive Surgical Robot: Theoretical and Experimental Approaches, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2006, Vol. 53, No. 7, pp. 1440-1445].
Однако, возможен перенос точки вращения при помощи параллелограмного механизма. При этом точки в основании параллелограмма всегда имеют одинаковый угол смещения при перемещении его сторон, что дает одну степень свободы для рабочего инструмента. Вторая степень свободы обеспечивается наклонением параллелограммного механизма шарниром, ось которого проходит через точку вращения и лежит в плоскости параллелограммного механизма. По такому принципу построена наиболее распространенная сейчас в мире хирургическая система «DA VINCI» (Intuitive Surgical, USA). [Hanly E.J., Talamini M.A. Robotic abdominal surgery // Am. J. of Surg. - 2004. - Suppl. 188. - pp. 19S-26S; Hartogs R., Schultz E. Tha DaVinci surgery system improving surgery techniques with robotics // http://136.142.82.187/eng12/Chair/pdf/4236.pdf. Retrieved 12 Sep 2014; Bodner J., Augustin F., Wykypiel H., Fish J., Mueblmann G., Wetscher G., Schmid T. The daVinci robotic system for general surgical applications: a critical interim appraisal // Swiss Med. Weekly. - 2005. - Vol. 135. - pp. 674-678] Эта схема лишена многих описанных выше недостатков.
Точка вращения может быть жестко закреплена механически, как одна из точек вращения всего устройства, и непосредственно на нее подаваться привод. При этом инструмент будет совершать движения, возможные только в пределах степеней свободы суставов, в которых закреплен троакар. Даная схема опасна значительным числом мертвых точек, сложностью привода непосредственно в зону оперативного вмешательства и поэтому сейчас не имеет широкого распространения. Ее можно охарактеризовать как использование «активной точки вращения» (active rotation center, ARC) [Berkelman P.J., Ma J. A Compact Modular Teleoperated Robotic System for Laparoscopic Surgery // Int. J. Robotics Res. 2009].
Последняя из известных на сегодняшний день возможностей заключается в создании «программной точки вращения» (software rotation center, SRC). В данном случае устройство для позиционирования инструмента хирургического робота может быть выполнено по любой известной кинематической схеме, однако все ее движения строго просчитываются и постоянно контролируются датчиками положения, имеющимися в каждом ее шарнире и неоднократно проверяются. Возможно использование камеры и систем машинного зрения для точного наблюдения за положением инструмента в пространстве. Подобные системы сложны, и, хотя проектируются и усиленно разрабатываются в настоящее время, пока еще далеки от широкого внедрения, так как программные ограничения не соответствуют нужному уровню безопасности хирургической роботизированной системы. Такие решения используются при работе с позиционирующими инструмент устройствами антропоморфной кинематической схемы, например, экспериментальная разработка DLR MIRO [U. Hagn, М. Nickl, S.  G. Passig, Т. Bahls, A. Nothhelfer, F. Hacker, L. Le-Tien, A.  R. Konietschke, M. Grebenstein, R. Warpup, R. Haslinger, M. Frommberger, and G. Hirzinger, "The DLR MIRO: a versatile lightweight robot for surgical applications", Industrial Robot, vol. 35, issue 4, pp. 324-336, 2008].
Механизмы с параллельной кинематикой являются чрезвычайно стабильными и прочными, однако мало распространены в хирургических роботах [ М.С., Tendick F., et. al. A Laparoscopic Telesurgical Workstation // IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1999. Vol.15, No. 4, pp. 728-739]. Причиной служит невозможность организации точки вращения на механическом уровне, что считается в большинстве случаев неприемлемым для использования в хирургии на современном этапе.
Существуют устройства для позиционирования хирургического инструмента в пространстве, в которых для механического выполнения постулата о точке вращения используется перемещение инструмента непосредственно по дугообразной траектории. Такими устройствами являются, например Probot [Harris S.J., et al. The Probot - an active robot for prostate resection // Proc Inst Mech Eng H. 1997; 211(4):317-25.], в котором движение осуществляется по двум дугообразным направляющим, располагающимся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и устанавливающими таким образом положение инструмента в пространстве. Обе дугообразных направляющих имеют общий центр окружностей, в котором будет находится фиксированная механически в пространстве точка вращения. Известен также механизм UT-NEU, в котором используется перемещение инструмента по дугообразной направляющей [Hata N., Masamune K., et al. Needle Insertion Manipulator for CT- and MR-Guided Stereotactic Neurosurgery // in Jolesz F.A., Young I.R., Eds, Interventional MR: Techniques and Clinical Experience, London, Martin Dunitz, 1998, pp. 99-106], выдвигающейся из корпуса устройства. Для перемещения инструмента в другой плоскости используется наклон этой направляющей в шарнире, ось которого проходит через центр окружности, описываемой дугообразной направляющей, являющийся таким образом фиксированной в пространстве механически точкой вращения инструмента.
Наиболее близким является экспериментальное устройство MARS [Heining М., Hofmann U.G., Schlaefer A. Calibration of the motor-assisted robotic stereotaxy system: MARS // International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 2012, Vol. 7(6)]. Система устройства состоит из трех частей: Инструментального стола, корпуса контроллера и робота. Инструментальный стол имеет 2 цели. Первая - в него вмонтирована AC\DC силовые конвертеры, вторая - инструментальный стол используется для транспортировки системы робота. Корпус контроллера представляет собой стальную коробку, содержащую контроллеры для двигателей робота и дополнительное оборудование, необходимое для управления роботом. Он установлен под дном робота и подключается к сети переменного / постоянного тока преобразователя. Самая важная часть - робот, состоящий из основания, трех трансляционных осей, двух осей вращения и блока MicroDrive. Основание оснащено быстросъемными устройствами, чтобы установить робота в рабочий стол. Инструментальный стол, а также структурные части выполнены из углепластика. Изменение положения инструмента происходит с помощью двигателей и контроллеров, бесщеточных серводвигателей постоянного тока. Двигатели оснащены аналоговыми датчиками холла, которые используются для определения положения выходного вала двигателя. Выходной вал в свою очередь приводит в движение шпиндель, что приводит к перемещению оси. Для каждой оси используется один отдельный контроллер. Они подключаются к персональному компьютеру (ПК) через USB. В центре дуговой системы, положение наконечника инструмента зависит только от значения трансляционных осей. Кинематическая схема с дугообразной направляющей, наклоняющейся в одной плоскости при помощи шарнира, ось вращения которого проходит через центр окружности, описываемой дугообразной направляющей, по которой ходит каретка, с закрепленным в ней инструментом.
Недостатками прототипа являются - громоздкость, большой занимаемый объем, ограничение доступа к операционному столу и ограничение движений хирургов-ассистентов, помогающих выполнению робот-ассистированного вмешательства, в связи с тем, что аппарат занимает большую часть операционного поля. Дугообразная направляющая нависает над областью оперативного вмешательства, ограничивая обзор и возможные действия хирургического персонала. Также недостатком является отсутствие управления в процессе операции. Использование запрограммированного пути входа в организм пациента не дает возможность изменять положение эндоскопа в простанстве в динамике - нет элементов управления.
В связи с тем, что дута имеет определенную длину, не изменяющуюся по ходу операции, и перемещение каретки происходит по всей длине дуги, это приводит к тому, что во время операции хирургу мешает неиспользуемый участок дуги. В некоторых случаях необходимо использование 2-х и более инструментов для проведения операции но, при использовании нескольких дуг проведение операции будет невозможно, т.к. все операционное поле будет занято дополнительными дугами. Инструмент на данный момент имеет только одну область применения - запрограммированные операции в нейрохирургии. Невозможно применение устройства в других областях хирургии на данном этапе.
Нами предлагается устройство для позиционирования хирургического инструмента в пространстве, способное изменять длину дуги во время операции, благодаря этому неиспользуемый участок дуги не является помехой хирургу. Способность устройства изменять длину дуги во время операции обеспечивает компактность данной системы, свободный доступ хирурга-ассистента к месту операции, уменьшает площадь, занимаемую устройством за операционным столом, при этом обеспечивая значительные угловые перемещения хирургического инструмента в пространстве, необходимые для проведения оперативного вмешательства, а также позволяет использовать несколько устройств, при этом не мешая проведению операции.
Предлагаемое устройство изображено на схеме Фиг. 1, где
1 - штатив
2 - шарнир
3 - мотор, приводящий в движение шарнир
4 - дугообразная проксимальная направляющая
5 - дугообразная дистальная направляющая
6 - каретка
7 - зубчатый сектор проксимальной дугообразной направляющей
8 - зубчатая передача проксимальной дугообразной направляющей
9 - зубчатый сектор дистальной дугообразной направляющей
10 - зубчатая передача дистальной дугообразной направляющей
11 - мотор, вращающий зубчатые передачи
12 - крепление хирургического инструмента
13 - хирургический инструмент
14 - ось шарнира
15 - дуга, описываемая дугообразными направляющими
16 - точка вращения
На штативе (1) закреплен шарнир (2), на шарнире (2) жестко закреплена проксимальная дугообразная направляющая (4), на которой закреплена, с возможностью перемещения по ней, каретка (6). В каретке (6) закреплена, с возможностью перемещения по дуге, дугообразная дистальная направляющая (5). На проксимальной дугообразной направляющей (4) жестко закреплен зубчатый сектор проксимальной дугообразной направляющей (7). На дистальной дугообразной направляющей (5) жестко закреплен зубчатый сектор дистальной дугообразной направляющей (9). На каретке (6) жестко закреплен мотор (11), вращающий зубчатые передачи. Вращение мотора передается синхронно на зубчатую передачу проксимальной дугообразной направляющей (8) и зубчатую передачу дистальной дугообразной направляющей (10), и затем на зубчатые сектора проксимальной и дистальной дугообразных направляющих, соответственно (7, 9). Хирургический инструмент (13) при помощи крепления (12) установлен на дугообразной дистальной направляющей (5). Ось шарнира (14) проходит через точку вращения (16) системы, которая является центром окружности, описываемой дугообразными направляющими (4, 5).
Хирургический инструмент (13) установлен с помощью крепления (12) на дистальном конце дистальной дугообразной направляющей (5). В каретке (6) находится мотор (11), который синхронно вращает зубчатые передачи проксимальной и дистальной дугообразной направляющих (8, 10). Вращение зубчатых передач передается на зубчатые сектора проксимальной и дистальной дугообразной направляющих (7, 9). При работе устройства перемещение хирургического инструмента (13) в одной плоскости обеспечивается за счет перемещения дистальной дугообразной направляющей (5) относительно каретки (6). Синхронно по отношению к дистальной дугообразной направляющей (5) каретка (6) перемещается по проксимальной дугообразной направляющей (4) к штативу (1) при помощи мотора и зубчатых передач.
На фиг. 2 показано положение при котором, дистальная дугообразная направляющая (5) устройства максимально выдвинута, а каретка (6) находится в крайнем положении проксимальной дугообразной направляющей (4). На фиг. 3 показано положение, при котором каретка (6) максимально перемещена к штативу (1), дистальная дугообразная направляющая (5) максимально вдвинута в каретку (6). Таким образом происходит сокращение расстояния между хирургическим инструментом (13) и шарниром (2) и, соответственно, смещение инструмента проксимально по дуге (15), описываемой дугообразными направляющими. В данном положении (фиг. 3) дуга не нависает над операционным полем, и не является помехой для хирургов-ассистентов при проведении операции.
Для перемещения инструмента в другой плоскости используется шарнир (2), на котором жестко закреплена проксимальная дугообразная направляющая (4). Ось шарнира (14) проходит через центр окружности, описываемой дугообразными направляющими направляющей. При этом хирургический инструмент (13) всегда будет оставаться проходящим через точку вращения (16), так как она является центром окружности, описываемой дугообразными направляющими (4, 5). При необходимости перемещения хирургического инструмента в другую плоскость шарнир (2) обеспечивает поворот всей системы вокруг своей оси при помощи мотора (3). Так как ось шарнира (14) проходит через точку вращения (16) - то хирургический инструмент при наклоне всегда будет оставаться проходящим через точку вращения (16). Таким образом, механически выполняется постулат о точке вращения, что является важнейшим свойством роботизированных систем для позиционирования хирургических инструментов в пространстве. На фиг. 4 показана кинематическая схема устройства для позиционирования хирургического инструмента, где: 17 - направление вращения шарнира; 18- направление движения каретки; 19 - движение инструмента по высоте, относительно точки вращения.
Таким образом, как видно из описанного выше использование устройства, содержащего две дугообразные направляющие, из которых одна подвижна относительно другой неподвижной и объединенные общей кареткой, с расположенным на ней мотором, приводящим в движение при помощи зубчатой передачи и зубчатых секторов дистальную направляющую и каретку. Это позволяет изменять длину дуги во время операции, что обеспечивает компактность данной системы, свободный доступ хирурга-ассистента к месту операции, уменьшает площадь, занимаемую устройством за операционным столом, при этом обеспечивая значительные угловые перемещения хирургического инструмента в пространстве, необходимые для проведения оперативного вмешательства. Движения подобной системы являются предсказуемыми для персонала операционной.