Держатель маркера для выполнения хирургической операции на голове пациента 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, а также для операций на мозге.
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 CN 107951561, 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. Также, необходимость изготовления персонального (для каждого пациента) устройства усложняет работу и увеличивает время, необходимое для предварительной подготовки к операции.
Предлагаемое техническое решение направлено на улучшение условий выполнения хирургического вмешательства в челюстно-лицевой области с использованием смешанной реальности, а также ускорение и упрощение этапа предоперационной подготовки.
Сущность полезной модели заключается в том, что держатель маркера для выполнения хирургической операции на голове пациента с использованием смешанной реальности включает корпус, образованный двумя дугами, соединенными одним концом с носоупором, и два узла, закрепленных на свободных концах дуг с возможностью продольного перемещения, при этом корпус содержит площадку для крепления маркера и не менее трех рентгеноконтрастных меток, узлы включают ушные оливы, имеющие возможность поперечного перемещения, таким образом, держатель обеспечивает возможность настройки размера и фиксации на голове пациента в трех точках: с опорой на ткани над носовой костью черепа и в наружных слуховых проходах. В свободных концах дуг держателя маркера могут быть выполнены сквозные продолговатые отверстия, а каждый узел содержать болт с двумя гайками, продетый в продолговатое отверстие, на конце болта зафиксирована ушная олива, а гайки расположены по обе стороны дуги.
Технический результат предлагаемой полезной модели достигается за счет использования универсального держателя маркера, фиксирующегося на голове пациента с опорой на ткани над носовой костью и в наружных слуховых проходах, имеющего возможность настройки на уникальные индивидуальные анатомические особенности каждого пациента, что ускоряет и упрощает этап предоперационной подготовки, а также увеличивает доступность операционного поля при выполнении хирургического вмешательства с использованием смешанной реальности в челюстно-лицевой области.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
3D-модель головы с надетым держателем и маркером, фиг. 1;
держатель маркера, фиг. 2-4;
держатель маркера с установленным маркером, фиг. 5;
голова пациента с держателем маркера (положение для проведения операции на мозге), фиг. 6;
голова пациента с держателем маркера (положение для проведения операции в челюстно-лицевой области), фиг. 7.
Держатель оптического маркера (в дальнейшем - 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 (MR) 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.
Тренинг 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 оптического маркера на голове пациента. Это позволяет при использовании технологии смешанной реальности точно совместить реальный и виртуальный объект - тело пациента и виртуальную 3D-модель (голограмму) пораженного органа.
Оптический маркер, закрепленный на держателе, служит для привязки виртуальной 3D модели индивидуальных анатомических структур пациента к его реальным органам. На маркер нанесен уникальный код, созданный таким образом, чтобы камера, встроенная в очки, смогла его распознать и определить ориентацию и положение маркера.
В заявляемом устройстве держатель фиксируется на голове пациента с опорой на ткани над носовой костью и в наружных слуховых проходах. Один из возможных вариантов конструктивной реализации этого технического решения показан на фиг. 1, где изображены 3D-модели: головы 1, держателя 2 и установленного на нем оптического маркера 3.
Держатель (материальное воплощение), показан на фиг. 2. Корпус 4 держателя (в дальнейшем - корпус) образован двумя дугами 5, соединенными одним концом с носоупором 6, предназначенным для опоры на ткани над носовой костью черепа пациента. На свободных концах дуг 5 закреплены узлы 7, обеспечивающие настройку держателя на размер головы пациента и его фиксацию в наружных слуховых проходах. Способ крепления узлов 7 на концах дуг 5 и конструкция узлов 7, показанная на чертежах, не исключает других вариантов конструктивной реализации предложенного технического решения.
В свободных концах дуг 5 выполнены сквозные продолговатые отверстия 8, в которых крепятся узлы 7. Вместо отверстий 8 могут быть выполнены полуоткрытые сквозные пазы. Каждый узел 7 (фиг. 3) содержит болт 9, состоящий из цилиндрического стержня с резьбой 10 и головки 11. На свободном конце стержня 10 при помощи разъемного (например, резьбового) соединения зафиксирована ушная олива 12. Стержень 10 продет в отверстие 8 дуги 5, при этом размер отверстия 8 позволяет стержню 10 двигаться относительно дуги 5 в продольном и поперечном направлении. Стержень 10 фиксируется на дуге 5 при помощи двух гаек 13. Таким образом, узел 7 обеспечивает возможность продольного и поперечного перемещения, а также фиксацию в необходимом положении оливы 12 на дуге 5.
Для настройки держателя по размеру головы пациента, стержни 10 с оливами 12 располагают соосно, при помощи продольного перемещения обеспечивают изменение расстояния «А» между осью стержней 10 и носоупором 6, а поперечного - расстояния «В» между оливами 12. Стержни 10 болтов 9 фиксируют в необходимом положении на дугах 5, затягивая гайки 13.
На корпусе 4 (фиг. 4) расположена площадка 14 для крепления оптического маркера 15 (фиг. 5). Маркер 15 крепится к площадке 14 при помощи разъемного (например, винтового) соединения.
Предпочтительно, чтобы корпус 4 был изготовлен из рентгенонегативных контрастных материалов, с минимальным поглощением рентгеновского излучения (например, полиамида), в том числе методом 3D-печати.
На корпусе 4 расположено несколько разнесенных рентгеноконтрастных меток 16 (фиг. 4), изготовленных из рентгенопозитивных контрастных материалов (например, стали).
Изгиб дуг 5 и форма носоупора 6 позволяют зафиксировать держатель на голове пациента 17 в двух положениях: для проведения операций на мозге, с максимальным доступом к черепу (фиг. 6, прогиб дуг 5 направлен вниз) или для операций в челюстно-лицевой области (фиг. 7, прогиб дуг 5 направлен вверх), при этом в обоих случаях доступ к операционному полю полностью открыт.
Для выполнения хирургической операции на голове пациента с использованием смешанной реальности необходима предварительная подготовка.
На диагностическом этапе держатель без маркера 15 надевают на голову пациента 17 и настраивают его размер, добиваясь надежной фиксации путем продольного перемещения узлов 7 по дугам 5 (размер «А») и поперечного перемещения олив 12 (размер «В»), затем фиксируют в необходимом положении при помощи гаек 13.
Проводят компьютерную томографию (КТ) головы пациента 17 с надетым держателем (без маркера 15). При этом важно, чтобы корпус 4 держателя помещался целиком, т.к. в него встроены рентгеноконтрастные метки 16, необходимые для последующего совмещения виртуальных анатомических структур с маркером 15. Держатель позволяет использовать маркеры 15 разных размеров и форм, и устанавливать их в разном положении, в зависимости от положения пациента на операционном столе.
Рабочая станция томографа формирует трехмерное растровое изображение индивидуальной анатомии пациента. Используя полученные данные, выполняют сегментацию (построение контура) и трехмерную реконструкцию (построение трехмерной модели) всех анатомических структур, которые представляют интерес для хирурга в предстоящей операции. Далее, на основе полученных 3D-моделей, планируют предстоящую операцию.
Загружают полученные данные в программу для настройки визуализации и позиционирования маркера 15, затем на КТ отмечают три рентгеноконтрастные метки. Так как заранее известно смещение маркера 15 относительно меток 16 держателя, программа может точно привязать положение анатомических структур к положению маркера 15.
Держатель с прикрепленным маркером 15 стерилизуют и надевают на голову пациента 17 перед выполнением хирургической операции, при этом используют ту же настройку узлов 7, которая была сделана при проведении КТ. В результате этого держатель занимает на голове пациента 17 в точности то же место, которое было при проведении КТ.
Приложение очков смешанной реальности распознает маркер и определяет его положение в пространстве. Виртуальные 3D-модели анатомических структур автоматически выравниваются по маркеру, таким образом, совмещаясь с головой пациента 17.