Разработка автоматизированного комплекса выполнения нейрохирургических операций

считывает ответы из почтового ящика, оценивает их и записывает результаты в электронный локальный журнал (ЭЛЖ) [1].

Рисунок. Схема автоматизированного сбора результатов домашних заданий в ЭЛЖ

Ответы оформляются по специальной форме, включающей следующие поля: фамилия и инициалы, номер группы, дата и время, пароль, номер варианта задания, ответ/ответы. Причем, запись делается не в самом письме, а в теме сообщения, что значительно ускоряет и упрощает обработку ответов. Затем письмо отправляется на электронный почтовый ящик преподавателя (SMTP-сервер).

Программа, установленная на компьютере преподавателя, осуществляет сбор ответов с почтового сервера и может работать, как постоянно в режиме сервиса (службы), так и по запросу преподавателя. Она содержит модули, которые осуществляют опрос POP-сервера электронной почты преподавателя, выделение компонентов темы сообщения, заполнение или обновление записей в ЭЛЖ. Программа написана в среде MS Excel с использованием VBA и дополнительных библиотечных модулей. Ниже приводится фрагмент, выделяющий «тему - Subject» из электронного письма и заполняющий массив строк с ответами, персональными данными и другой информацией. Set POP3Msg = Session.GetMessage

For Each POP3Email In POP3Msg.Senders

TextSubj(i) = POP3Email.Subject Next

После разбора текстовых строк на компоненты [2], вызывается модуль, обновляющий электронный локальный журнал преподавателя в соответствии с результатами проверки домашнего задания.

Предлагаемая структура и содержание программы для проверки домашних заданий позволяет существенно ускорить проверку ответов, автоматизировать заполнение ЭЛЖ и устраняет возможные ошибки.

1. Китаев Ю.В. Автоматизация ведения электронного журнала и интернет технологии // Сборник тезисов конференции «Оптика и образование». - СПб: СПБГУ ИТМО, 2010. - С. 48-49.

2. Попова С.В., Ходырев И.А. Извлечение ключевых словосочетаний // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 1 (77). - С. 67-71.

Китаев Юрий Васильевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, доцент, KitaevUV@km.ru

УДК 617+616.8+615.1/.4

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ВЫПОЛНЕНИЯ НЕЙРОХИРУРГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ Ю.А. Скупов, С.С. Киселев, А.Д. Аничков, Ю.З. Полонский, А.Н. Серегин

Проанализированы известные в настоящее время системы для стереотаксической нейрохирургии. Приведен принцип расчета координат внутримозговых мишеней и метод наведения на них. Описан новый автоматизированный комплекс и принцип его работы.

Ключевые слова: стереотаксическая нейрохирургия.

Стереотаксическая хирургия является малоинвазивным методом хирургического вмешательства, когда доступ осуществляется к целевой точке внутри тела или толщи тканей какого-либо органа с использованием пространственной схемы по заранее рассчитанным координатам по трехмерной декартовой системе координат.

Стереотаксическое направление в нейрохирургии неуклонно развивается. Разработаны и успешно применяются стереотаксические операции на головном, спинном мозге и мозжечке. Объектами вмешательства являются самые разнообразные патологические процессы: паркинсонизм, торсионная дистония, гемибаллизм, болевой синдром, детский церебральный паралич, хореические и миоклонические гипер-кинезы, аневризмы мозговых сосудов, опухоли мозга, внутримозговые кисты и абсцессы, эпилепсия [1].

Стереотаксические операции представляют собой основной методический прием функциональной нейрохирургии, имеющий своей целью восстановление или улучшение патологически измененных функций мозга без воздействия на причину, вызвавшую это нарушение.

Стереотаксический метод - сочетание приемов и расчетов, обеспечивающих точное введение инструмента (канюли, электрода и др.) в заранее определенную глубоко расположенную структуру мозга. Основным методическим приемом является сопоставление условной координатной системы мозга с трехмерной координатной системой стереотаксического прибора. Для этого необходим не только стереотаксический аппарат и атлас [2], но и рентгенографическое определение внутримозговых ориентиров, на основе которых устанавливается пространственная локализация глубинных церебральных структур.

Хирургическая мишень, т.е. подлежащая воздействию глубинная структура мозга, избирается в каждом случае индивидуально в зависимости от вида патологии. С помощью стереотаксических операций производят биопсию, а в некоторых случаях, при глубоко расположенных опухолях, осуществляют их криодеструкцию.

При выборе места для наложения трепанационного отверстия в кости черепа необходимо учитывать, что место введения канюли должно находиться на безопасном расстоянии от функционально важных зон коры и по пути к хирургической мишени канюля не должна повреждать другие важные глубинные структуры мозга.

В основном перед проведением снимков голову больного фиксируют в стереотаксическом аппарате, что обеспечивает получение идентичных рентгенограмм в ходе операции. Затем производят расчеты, обеспечивающие установление локализации подкорковой структуры, в которую будет введена канюля или электрод. Точные данные о положении искомой структуры по отношению к указанным выше ориентирам хирург получает из специального стереотаксического атласа мозга человека.

Полученные расчетные данные переносят на транспортиры стереотаксического аппарата, направляющую канюли устанавливают под необходимым углом. В него устанавливают канюлю и после вскрытия твердой оболочки и коагуляции мелких сосудов коры вводят ее в мозг.

Успех операции, в первую очередь, зависит от точности попадания в заданную структуру. При вмешательствах на подкорковых образованиях, расположенных вблизи внутренней капсулы, ядер гипоталамуса, ошибка в расчетах всего на 2-3 мм может вызвать самые серьезные осложнения. В последние годы в стереотаксической хирургии для повышения точности применяют ЭВМ. Перспективным для сте-реотаксической нейрохирургии является проведение операций с использованием компьютерной томографии. Она позволяет использовать изображения серийных срезов мозга для точного определения координат любой точки в глубоких образованиях мозга.

Современная нейрохирургия использует множество стереотаксических систем, таких как стерео-таксис Leksell компании Elekta, Cosman-Roberts-Wells (CRW) компании Integra Radionics, Zamorano компании Stryker, Patil, Inomed (Германия) [3], стереотаксический манипулятор «Ореол» (Россия) [4], и это только небольшая часть. Существующие конструкции стереотаксических систем наведения не предполагают автоматизацию процесса и имеют в своем составе детали сложной геометрической формы, которые в своей совокупности не обладают достаточной жесткостью. При проведении операции на несколько мишеней много времени уходит на перестройку (наведение на новую цель) манипулятора, вследствие чего происходят большие кровопотери у пациента и снижение реакции у врача, что, в свою очередь, увеличивает риск и снижает шансы на успешный исход операции.

Целью настоящей работы является разработка варианта конструкции манипулятора для автоматизированного выполнения нейрохирургических операций под контролем врача-нейрохирурга. Данная система должна отрабатывать все необходимые координаты для проведения операции, т.е. принимать оптимальное положение в пространстве для проведения операции и иметь достаточный доступ к операционному полю, также иметь минимальные влияния температур рабочего диапазона (18-30°С) и жестко фиксироваться в любом положении. В разрабатываемой системе наведения мы отказываемся от хирургической фиксации манипулятора в костях черепа, что делает операцию менее травматичной для пациента.

Система манипулятора будет состоять из двух основных частей - нижней и верхней платформы. Нижняя платформа крепится к операционному столу и имеет возможность двухкоординатного перемещения, а верхняя платформа крепится к нижней платформе и имеет возможность пятикоординатного перемещения, что позволит получить доступ ко всем необходимым участкам мозга пациента во время операции. Платформа имеет форму, удобную для манипуляций инструментов в ходе операции. Пятико-ординатное перемещение верхней платформы осуществляется с помощью трех линейных приводов и шарико-винтовых передач (ШВП) под управлением компьютера по определенному алгоритму [5]. На подвижной части верхней платформы закреплен хирургический инструмент, осветительные элементы и видеокамеры. Осветители и камеры располагаются вокруг инструмента. Изображение, получаемое с камер, передается на монитор компьютера, что позволяет контролировать процесс операции в реальном времени. Двухкоординатное перемещение нижней платформы обеспечивается моментными двигателями также по алгоритму под управлением компьютера. Оператором компьютера выступает врач-

нейрохирург, который принимает решения и управляет всеми перемещениями системы. Местоположение системы определяется автоматически в реальном времени, что позволяет повысить качество и точность операции. Но для начала операции необходимо сначала определить местоположение цели и пересчитать координаты цели в координаты системы манипулятора.

Определение местоположения целевой точки будет производиться во время компьютерной и магнитно-резонансной томографии с помощью рентгеновского и магнито-резонансного (МР) локализатора на основе зубной пластины. Применение такого локализатора не наносит травм пациенту и дает возможность проводить исследования для определения координат целевой точки заблаговременно до операции. А для проведения самой операции, как уже отмечалось, необходимо зафиксировать расстояния от основной плоскости платформы до реперных точек локализатора, который закреплен во рту пациента, с помощью лотка с оттиском зубов, который индивидуальный для каждого пациента. Измерения будут проводиться с помощью трех линейных энкодеров, расположенных на базовой плоскости манипулятора. Для калибровки энкодеров применяются поверочные плитки. С помощью абсолютных линейных энкодеров производят непосредственные цифровые измерения без вывода манипулятора в исходное положение. Измеряя три расстояния до каждой реперной точки локализатора, получаем точные координаты положения локализатора в системе координат платформы. После проведенных измерений необходимо произвести перерасчет координат цели, полученных во время расчетного томографического исследования, в координаты системы с учетом измеренных значений. Таким образом, получаем координаты целевой точки относительно системы координат манипулятора, после этого можно проводить операцию. Необходимость в фантомном моделировании отпадает, так как все возможные траектории могут уже храниться в базах данных или могут быть отработаны виртуально [6]. Все это позволит сократить время операции, повысить ее точности и качество.

Во время работы над проектом были проведены исследования возможности разработки манипулятора стереотаксической системы наведения для проведения операций на головном мозге. Было проведено исследование технологических параметров и характеристик существующих аналогов манипуляторов стереотаксической системы наведения и выявлены недостатки конструктивных и практических параметров применяемых манипуляторов при наведении. Предложен алгоритм управления платформой при наведении в ходе нейрохирургических операций, который основан на выборе мишени и фиксировании манипулятора в нужном положении, с учетом отказа крепления на черепе пациента. При этом платформа имеет возможность принимать любое необходимое положение вокруг головы, при использовании в системе управления моментных двигателей, линейных приводов и ШВП Предложено конструктивное исполнение манипулятора стереотаксической системы наведения.

1. Stereotaxis. Консультативный портал [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.stereotaxis.ru/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 20.01.2012).

2. Аничков А.Д., Полонский Ю.З., Серегин А.Н., Киселев С.С., Смирнов А.А., Колмогоров М.А., Иванов И.А. Автоматизированный комплекс для стереотаксических операций // Сборник статей II международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине». - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. - Т. 3. - С. 305306.

3. Российская нейрохирургия / Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова. - СПб: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.neuro.neva.rU/ru/Articles_2009_2/parfenov.shtml#literature, свободный. Яз. рус. (дата обращения 20.01.2012).

4. Аничков А.Д., Полонский Ю.З., Низковолос В.Б. Стереотаксические системы. - СПб: Наука, 2006. -142 с.

5. Альван Х.М., Слоущ А.В. Декомпозиция задачи силового анализа многоподвижного механизма параллельной структуры // Теория механизмов и машин. - М., 2005. - Т. 3. - № 1. - С. 35-39.

6. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами: Учебник для вузов. -2-е изд. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 480 с.

Скупов Юрий Алексеевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, студент, starosta-61@yandex.ru

Киселев Сергей Степанович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, kiselev@mail.ifmo.ru Аничков Андрей Дмитриевич - Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН, доктор медицинских наук, профессор, зам. директора, stereo@ihb.spb.ru

Полонский Юрий Зусьевич - Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, yzpol@qip.ru

Серегин Александр Николаевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, ассистент, perikl@yandex.ru