Держатель с маркером, применяемый при выполнении хирургической операции на голове с использованием смешанной реальности

Полезная модель относится к медицине, а именно к устройствам для выполнения хирургических операций на голове с использованием смешанной реальности.
Полезная модель может быть использована, в частности, в челюстно-лицевой и реконструктивной хирургии, например, при выполнении реконструктивно-пластических операций для устранения обширных дефектов челюстей и окружающих мягких тканей, возникших после удаления злокачественных и доброкачественных новообразований, в результате травм и деформаций различного генеза.
Технология смешанной реальности (Mixed reality, MR) дает возможность наблюдателю видеть виртуальные объекты в контексте реального мира. Современный подход позволяет проецировать изображение этих объектов перед глазами пользователя в виде голограммы, используя для этого так называемые очки смешанной реальности. Это позволяет наблюдателю взаимодействовать в реальном времени между различными материальными и виртуальными объектами, как будто они существуют в единой среде. Используя эту особенность, можно повысить производительность и качество услуг во многих областях, в частности, в хирургии головы и шеи.
В настоящее время опубликовано немало научных трудов по использованию смешанной реальности в разных областях медицины: нейрохирургии, кардиологии, урологии, пластической хирургии, в том числе стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.
Наиболее близким по технической сущности является специальное устройство, изготовленное при помощи трехмерной печати, и предназначенное для отслеживания положения челюстно-лицевой области в дополненной реальности [патент CN107951561, опубликован 24.07.2020]. Изобретение относится к области медицинских хирургических челюстно-лицевых устройств и инструментов, а также к технологиям дополненной реальности, в частности к устройству, предназначенному для отслеживания положения челюстно-лицевой области в дополненной реальности, изготовленному с помощью трехмерной печати и фиксируемому между зубами верхней и нижней челюсти. Устройство содержит держатель маркера - окклюзионную пластину с уникальным рельефом, отражающим отпечатки зубов верхней и нижней челюсти, изготавливаемую индивидуально для каждого пациента при помощи печати на 3D-принтере и модуль оптического маркера. Пластина и модуль маркера снабжены разъемом, предназначенным для их соединения.
Недостатком описанного устройства является близость его расположения к операционному полю при выполнении хирургического вмешательства в челюстно-лицевой области, что может помешать или воспрепятствовать продолжению хирургического вмешательства.
Предлагаемое техническое решение направлено на улучшение условий выполнения хирургического вмешательства в челюстно-лицевой области с использованием смешанной реальности.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство, применяемое при выполнении хирургической операции на голове с использованием смешанной реальности и изготовленное с обеспечением возможности фиксации на голове, содержит держатель с оптическим маркером, при этом, держатель и маркер соединены между собой, держатель изготавливается персонально, с учетом индивидуальных анатомических особенностей пациента при помощи печати на 3D-принтере и включает обруч, обеспечивающий возможность опоры на мягкие ткани, расположенные над лобной и теменной костями черепа, носоупор, обеспечивающий возможность опоры на ткани над носовой костью, мост, соединяющий обруч и носоупор, а также платформу для крепления маркера, при этом обруч держателя имеет форму полого усеченного конуса, внутренняя поверхность которого повторяет индивидуальную анатомию пациента. Оптический маркер имеет форму объемного многогранника, например, куба (гексаэдра) и прикреплен к платформе держателя при помощи разъемного (винты, шурупы, штифты) или неразъемного (клей, сварка) соединения.
Технический результат предлагаемой полезной модели достигается за счет фиксации держателя с оптическим маркером над лобной и теменной костями черепа, что увеличивает доступность операционного поля при выполнении хирургического вмешательства с использованием смешанной реальности в челюстно-лицевой области.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
- 3D-модель специального объемного оптического маркера (фиг. 1);
- код, наносимый на грани специального объемного оптического маркера (фиг. 2);
- 3D-модель головы с указанием областей, на которых будет фиксироваться держатель маркера (фиг. 3);
- 3D-модель головы с присоединенными 3D-моделями держателя и объемного оптического маркера (фиг. 4);
- распечатанный на 3D-принтере держатель с присоединенным объемным оптическим маркером (фиг. 5).
Держатель оптического маркера (далее держатель или ДМ) занимает важное место в составе оборудования, необходимого для выполнения хирургической операции на голове с использованием очков смешанной реальности (например, Microsoft HoloLens).
Смешанной реальностью называется технология, где виртуальный и реальный мир взаимодействуют, а это значит, что стоит задача точного взаимного позиционирования виртуальных и реальных объектов с точки зрения пользователя. Для решения этой задачи, в частности используется система оптического трекинга.
Трекинг с использованием специальных маркеров, или меток, удобен тем, что они проще распознаются камерой и дают ей более жесткую привязку к месту для виртуальной модели. Такая технология гораздо надежнее «безмаркерной» и работает практически без сбоев.
Держатель служит для фиксации в определенном положении оптического маркера на теле пациента. Это позволяет при использовании технологии смешанной реальности точно совместить реальный и виртуальный объект -тело пациента и виртуальную 3D-модель (голограмму) пораженного органа.
Персональный для каждого пациента держатель маркера изготавливается с учетом индивидуальных анатомических особенностей при помощи печати на 3D-принтере и обеспечивает возможность фиксации на голове пациента.
Объемный оптический маркер, закрепленный на держателе, служит для привязки виртуальной 3D-модели индивидуальных анатомических структур пациента к его реальным органам. На каждую открытую грань маркера нанесен уникальный код, созданный таким образом, чтобы камера, встроенная в очки, смогла его распознать и определить ориентацию и положение маркера.
Маркер может иметь, например, форму куба (гексаэдра), его 3D-модель 1 показана на фиг. 1. На все грани модели маркера 1, кроме одной, нанесен уникальный код 2 (фиг. 2).
При этом оптимальным с точки зрения уверенности распознавания представляется код 2 в виде светлого многоугольника 3, образованного путем комбинации нескольких прямоугольников, расположенных под прямым углом друг к другу, размещенного на темном контрастном фоне 4, изображающем текстуру с непериодической угловатой структурой с высоким локальным контрастом. При этом код 2 должен быть размещен на плоской поверхности и не иметь глянцевости.
Конструирование держателя осуществляется в следующей последовательности.
Сначала пациент проходит процедуру компьютерной томографии головы. В результате такой процедуры рабочая станция томографа формирует трехмерное растровое изображение индивидуальной анатомии пациента. Используя полученные данные, с помощью программного обеспечения выполняют сегментацию (построение контура) и трехмерную реконструкцию (построение трехмерной модели) головы пациента целиком, а также всех анатомических структур, которые представляют интерес для хирурга в предстоящей операции. Примерами таких анатомических структур являются новообразования, кости черепа и проч.
Далее, выбирают модель головы 5 целиком (фиг. 3). На поверхности модели 5 обозначают области 6, на которых будет фиксироваться держатель маркера. Эти области 6 выбирают с таким расчетом, чтобы держатель обеспечивал возможность опоры на мягкие ткани, расположенные, в частности, над лобной, теменной и носовой костями черепа и имел форму, позволяющую ему при плотном прилегании к голове по всей площади контактной поверхности занимать единственное фиксированное положение на голове пациента.
После этого, на основе выбранных ранее областей 6, осуществляют построение трехмерной модели держателя 7 (фиг. 4), а также объемного оптического маркера 1, рекомендации по конструированию которого приведены выше. Обе модели распечатывают на 3D-принтере. Держатель и маркер могут быть изготовлены как одно целое.
Также, согласно рекомендациям, разрабатывают коды 2, уникальные для каждой грани маркера, которые впоследствии наносят любым способом (например, прямой печатью или в виде самоклеящихся этикеток) на все грани маркера, кроме той, которой он будет соединяться с держателем.
Держатель 8 маркера 9 (материальное воплощение) может выглядеть, например, так, как показано на фиг. 5. Он представляет из себя устройство, содержащее обруч 10, обеспечивающий возможность опоры на мягкие ткани, расположенные над лобной и теменной костями черепа, носоупор 11, обеспечивающий возможность опоры на ткани над носовой костью, мост 12, соединяющий обруч и носоупор, а также платформу 13 для крепления маркера.
Обруч 10 держателя 8 имеет форму, напоминающую полый усеченный конус, внутренняя поверхность которого повторяет индивидуальную анатомию пациента, что позволяет обручу 10 при плотном прилегании к голове фиксироваться на ней в единственном положении. Носоупор 11 добавляет держателю еще одну опорную поверхность, кроме того, однозначно определяет положение обруча 10 на голове. Их совместное использование позволяет держателю при плотном прилегании к голове пациента занимать единственное фиксированное положение.
На платформу 13 держателя 8 крепят при помощи клея или любым другим способом (например, винтами или шурупами) оптический маркер 9. При этом размещение уникальных кодов на гранях маркера 9 относительно держателя 8 должно в точности соответствовать спроектированному. При таком подходе получают полностью идентичные виртуальную и материальную конструкции держателя с присоединенным маркером.
Так как 3D-модель головы 5 с высокой точностью соответствует оригиналу, а размещенная на ней модель держателя 7 с маркером 1 занимает то же место, что и материальные объекты в реальности, достигается полное соответствие между взаимным положением маркера и головы в реальности и виртуальности. Это позволяет очкам визуализировать необходимые модели анатомических структур в точном соответствии с расположением реальных органов пациента.
К виртуальному маркеру 1 привязывают все созданные 3D-модели анатомических структур, т.е. точно фиксируют их взаимное расположение, затем все эти данные загружают в очки смешанной реальности. Это можно сделать разными способами, например, создав специальное приложение для очков, которое будет хранить в своей памяти все необходимые данные.
Перед выполнением хирургического вмешательства маркер 9 при помощи держателя 8 фиксируют на голове пациента. Когда в поле зрения наблюдателя попадает маркер, очки визуализируют модели анатомических структур в виде голограмм строго в том же месте, где располагаются реальные органы пациента.