RU218805U1

RU218805U1 - Marker holder for mandibular surgery using mixed reality technology

Info

Publication number: RU218805U1
Application number: RU2022135443U
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Иванов; Сергей Васильевич Стрелков; Андрей Владимирович Синегуб; Анна Валерьевна Лысенко
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2023-06-13

Abstract

Полезная модель относится к медицине, а именно к устройствам для позиционирования систем смешанной реальности. Полезная модель может быть использована при выполнении хирургических операций на нижней челюсти с использованием смешанной реальности. Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что держатель маркера для выполнения хирургических операций на нижней челюсти с использованием технологии смешанной реальности содержит индивидуально изготовленную капу, обеспечивающую возможность ее фиксации на нижней челюсти, стыковочный узел, включающий не менее трех рентгеноконтрастных меток, не лежащих на одной прямой, соединенный с капой при помощи неразъемного соединения, и платформу для крепления оптического маркера, связанную со стыковочным узлом при помощи разъемного соединения. Техническим результатом является упрощение и укорочение этапа предварительной подготовки к проведению операции с использованием технологии смешанной реальности и следовательно - повышение точности совмещения виртуальной модели пациента с реальным пациентом во время операции. 3 ил.

The utility model relates to medicine, namely to devices for positioning mixed reality systems. The utility model can be used when performing surgical operations on the lower jaw using mixed reality. The essence of the claimed utility model lies in the fact that the marker holder for performing surgical operations on the lower jaw using mixed reality technology contains an individually made cap, which makes it possible to fix it on the lower jaw, a docking unit that includes at least three radiopaque markers that do not lie on one a straight line connected to the cap by a permanent connection, and a platform for mounting an optical marker connected to the docking station by a detachable connection. The technical result is the simplification and shortening of the stage of preliminary preparation for the operation using mixed reality technology and, consequently, an increase in the accuracy of matching the patient's virtual model with the real patient during the operation. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к медицине, а именно к устройствам для позиционирования систем смешанной реальности. Полезная модель может быть использована при выполнении хирургических операций на нижней челюсти с использованием смешанной реальности.The utility model relates to medicine, namely to devices for positioning mixed reality systems. The utility model can be used when performing surgical operations on the lower jaw using mixed reality.

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 нижней челюсти.Mixed reality technology (MR) enables the observer to see virtual objects in the context of the real world. The modern approach allows you to project the image of these objects in front of the user's eyes in the form of a hologram, using the so-called mixed reality glasses. This allows the observer to interact in real time between various material and virtual objects, as if they exist in a single environment. Using this feature, it is possible to increase the productivity and quality of services in many areas, in particular in mandibular surgery.

Полезная модель занимает важное место в составе оборудования, необходимого для выполнения хирургической операции на нижней челюсти с использованием очков смешанной реальности (например, Microsoft HoloLens).The utility model occupies an important place in the equipment required to perform a surgical operation on the lower jaw using mixed reality glasses (for example, Microsoft HoloLens).

В контексте смешанной реальности, где виртуальный и реальный мир взаимодействуют, стоит задача точного взаимного позиционирования виртуальных и реальных объектов с точки зрения пользователя. Для решения этой задачи, в частности, используется система оптического трекинга.In the context of mixed reality, where the virtual and real worlds interact, the task is to accurately position the virtual and real objects from the user's point of view. To solve this problem, in particular, an optical tracking system is used.

Трекинг с использованием оптического маркера предназначен для привязки пациента к виртуальной модели при помощи распознавания камерой оптического маркера в пространстве.Tracking using an optical marker is designed to link a patient to a virtual model by recognizing an optical marker in space by the camera.

Полезная модель служит для фиксации в определенном положении оптического маркера на теле пациента, в частности на нижней челюсти. Это позволяет при использовании технологии смешанной реальности точно совместить реальный и виртуальный объект - тело пациента и виртуальную 3D- модель (голограмму) пораженного органа.The utility model serves to fix the optical marker in a certain position on the patient's body, in particular on the lower jaw. This allows, when using mixed reality technology, to accurately combine a real and virtual object - the patient's body and a virtual 3D model (hologram) of the affected organ.

Известно специальное устройство, изготовленное при помощи трехмерной печати и предназначенное для отслеживания положения челюстно-лицевой области в смешанной реальности [патент CN107951561, опубликован 24.07.2020]. Изобретение относится к области медицинских хирургических челюстно-лицевых устройств и инструментов, а также к технологиям смешанной реальности, в частности, к устройству, предназначенному для отслеживания положения челюстно-лицевой области в смешанной 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.A special device is known, made using three-dimensional printing and designed to track the position of the maxillofacial region in mixed reality [patent CN107951561, published 07/24/2020]. The invention relates to the field of medical surgical maxillofacial devices and instruments, as well as to mixed reality technologies, in particular, to a device designed to track the position of the maxillofacial region in mixed reality, made using three-dimensional printing and fixed between the teeth of the upper and lower jaws. The device contains a marker holder - an occlusal plate with a unique relief that reflects the imprints of the teeth of the upper and lower jaws, made individually for each patient using a 3D printer and an optical marker module. The plate and the marker module are equipped with a connector designed to connect them.

Недостатками описанного устройства являются: близость его расположения к операционному полю при выполнении хирургического вмешательства в челюстно-лицевой области, что может помешать или воспрепятствовать продолжению хирургического вмешательства; потребность зажимать устройство между зубами, что при продолжительном оперативном вмешательстве может доставлять дискомфорт пациенту; отсутствие возможности открывать пациенту рот во время операции без ошибки позиционирования, что снижает доступность операционного поля.The disadvantages of the described device are: the proximity of its location to the surgical field when performing surgery in the maxillofacial region, which may prevent or prevent the continuation of surgery; the need to clamp the device between the teeth, which during prolonged surgery can cause discomfort to the patient; the inability to open the patient's mouth during surgery without positioning error, which reduces the availability of the surgical field.

Известен «Держатель маркера для выполнения хирургической операции на голове пациента с использованием смешанной реальности [патент RU 210 665 U1, опубликован 25.04.2022] состоящий из корпуса, образованного двумя дугами, соединенными одним концом с носоупором, и двух узлов, 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.Known "Marker holder for performing a surgical operation on the patient's head using mixed reality [patent RU 210 665 U1, published 04/25/2022] consisting of a body formed by two arcs connected at one end to the nose pad, and two knots fixed at the free ends of the arcs with the possibility of longitudinal movement, while the body contains a platform for attaching a marker and at least three radiopaque marks, the nodes include ear olives with the possibility of transverse movement, thus, the holder provides the ability to adjust the size and fixation on the patient's head at three points: based on tissues over the nasal bone of the skull and in the external auditory canals. Through elongated holes can be made in the free ends of the arcs of the marker holder, and each assembly contains a bolt with two nuts threaded into the elongated hole, an ear olive is fixed at the end of the bolt, and the nuts are located on both sides of the arc.

Недостатками данного решения является то, что: система не учитывает отведение нижней челюсти пациента, что усложняет проведение операций на нижней челюсти; для проведения операций на нижней челюсти пациент должен держать челюсти постоянно сомкнутыми, что при длительных операциях может приводить к дискомфорту; отсутствие возможности открывать пациенту рот во время операции, что снижает доступность операционного поля.The disadvantages of this solution are that: the system does not take into account the abduction of the patient's lower jaw, which complicates operations on the lower jaw; for operations on the lower jaw, the patient must keep the jaws constantly closed, which can lead to discomfort during long-term operations; the inability to open the patient's mouth during surgery, which reduces the availability of the surgical field.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является индивидуальный держатель маркера для отображения нижнего альвеолярного отростка в челюстно-лицевой хирургии с использованием технологии смешанной реальности (Zhu M. et al. A novel augmented reality system for displaying inferior alveolar nerve bundles in maxillofacial surgery //Scientific reports. - 2017. - Т. 7. - №. 1. - С.1-11). Держатель маркера включает индивидуально изготовленную, методом холодной полимеризации по гипсовому слепку нижней челюсти, капу и заделанную в нее до момента полимеризации платформу для крепления оптического маркера.The closest technical solution adopted for the prototype is an individual marker holder for displaying inferior alveolar nerve bundles in maxillofacial surgery using mixed reality technology (Zhu M. et al. A novel augmented reality system for displaying inferior alveolar nerve bundles in maxillofacial surgery / / Scientific reports. - 2017. - V. 7. - No. 1. - P.1-11). The marker holder includes an individually made, cold polymerization method on a plaster cast of the lower jaw, a cap and a platform embedded in it until the moment of polymerization for attaching an optical marker.

Недостатком данного решения является то, что расположение маркера и анатомических структур заранее не известно, поэтому необходимо производить 3D сканирование получившегося изделия для совмещения маркера и анатомических структур пациента в 3D среде, что ведет к усложнению и удлинению процедуры подготовки и как следствие - уменьшению конечной точности системы.The disadvantage of this solution is that the location of the marker and anatomical structures is not known in advance, therefore, it is necessary to perform a 3D scan of the resulting product to align the marker and the anatomical structures of the patient in a 3D environment, which leads to a complication and lengthening of the preparation procedure and, as a result, a decrease in the final accuracy of the system. .

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое устройство, является упрощение этапа подготовки к операции, снижение количества технологических операций и увеличение точности позиционирования системы смешанной реальности при операциях на нижней челюсти.The technical problem to be solved by the claimed device is to simplify the stage of preparation for surgery, reduce the number of technological operations and increase the positioning accuracy of the mixed reality system during operations on the lower jaw.

Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что держатель маркера для выполнения хирургических операций на нижней челюсти с использованием технологии смешанной реальности содержит индивидуально изготовленную капу, обеспечивающую возможность ее фиксации на нижней челюсти, стыковочный узел, включающий не менее трех рентгеноконтрастных меток, не лежащих на одной прямой, соединенный с капой при помощи неразъемного соединения, и платформу для крепления оптического маркера, связанную со стыковочным узлом при помощи разъемного соединения.The solution to this technical problem is achieved due to the fact that the holder of the marker for performing surgical operations on the lower jaw using mixed reality technology contains an individually made cap, which makes it possible to fix it on the lower jaw, a docking unit that includes at least three radiopaque markers that do not lie on one straight line connected to the cap with a permanent connection, and a platform for attaching an optical marker connected to the docking station with a detachable connection.

Техническим результатом является упрощение и укорочение этапа предварительной подготовки к проведению операции с использованием технологии смешанной реальности и следовательно - повышение точности совмещения виртуальной модели пациента с реальным пациентом во время операции.The technical result is the simplification and shortening of the stage of preliminary preparation for the operation using mixed reality technology and, consequently, an increase in the accuracy of matching the patient's virtual model with the real patient during the operation.

Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами.The essence of the utility model is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 показан вид на держатель маркера, установленный на гипсовую модель челюсти.In FIG. 1 shows a view of the marker holder mounted on a plaster model of the jaw.

На фиг. 2 показан вид на держатель маркера, установленный на нижнюю челюсть пациента.In FIG. 2 shows a view of the marker holder mounted on the patient's lower jaw.

На фиг. 3 показан вид на держатель маркера в процессе работы.In FIG. 3 shows a view of the marker holder during operation.

Держатель маркера для выполнения хирургических операций на нижней челюсти с использованием технологии смешанной реальности содержит индивидуально изготовленную капу 1, обеспечивающую возможность ее фиксации на нижней челюсти; стыковочный узел 2, включающий не менее трех рентгеноконтрастных меток 3, не лежащих на одной прямой, соединенный с капой 1 при помощи неразъемного соединения; платформу 4 для крепления оптического маркера, связанную со стыковочным узлом 2 при помощи разъемного соединения (фиг.1).The marker holder for performing surgical operations on the lower jaw using mixed reality technology contains a custom-made cap 1, which makes it possible to fix it on the lower jaw; docking station 2, including at least three radiopaque labels 3, not lying on one straight line, connected to the cap 1 using a permanent connection; platform 4 for attaching an optical marker associated with the docking station 2 using a detachable connection (figure 1).

Капа 1 изготавливается индивидуально для каждого пациента методом холодной полимеризации по гипсовому слепку нижней челюсти.Capa 1 is made individually for each patient by cold polymerization on a plaster cast of the lower jaw.

Стыковочный узел 2 предназначен для отсоединения платформы 4 во время проведения КТ исследования, для повышения удобства пациента.The docking station 2 is designed to disconnect the platform 4 during a CT examination, to improve the comfort of the patient.

Рентгеноконтрастные метки 3 изготовлены из рентгенопозитивных контрастных материалов и представляют собой сферы, например, из подшипниковой стали, которые хорошо выделяются на КТ-снимках.Radiopaque markers 3 are made of radiopaque contrast materials and are spheres, for example, of bearing steel, which stand out well on CT images.

Предпочтительно, чтобы капа 1 и стыковочный узел 2 были изготовлены из рентгенонегативных контрастных материалов, с минимальным поглощением рентгеновского излучения.Preferably, cap 1 and docking station 2 are made of X-ray negative contrast materials, with minimal absorption of X-rays.

Платформа для крепления оптического маркера 4, предназначена для размещения оптического маркера, необходимого для позиционирования трехмерной модели анатомии пациента в режиме смешанной реальности в операционном поле.The platform for attaching an optical marker 4 is designed to place an optical marker necessary for positioning a three-dimensional model of the patient's anatomy in mixed reality mode in the surgical field.

Используется устройство следующим образом.The device is used as follows.

Во время предоперационной подготовки изготавливается индивидуальная капа 1, посредством метода холодной полимеризации. Для этого выполняют снятие оттиска с нижней челюсти с помощью оттискной массы, изготавливают отливку гипсовой модели челюсти. По отливке челюсти выполняют моделирование формы капы. На капе 1 размещают при помощи неразъемного соединения стыковочный узел 2, содержащий рентгеноконтрастные метки 3. Далее, получившуюся конструкцию, включающую капу1 и стыковочный узел 2, дезинфицируют и закрепляют на нижней челюсти пациента, после чего выполняют КТ.During the preoperative preparation, an individual mouthguard 1 is made using the cold polymerization method. To do this, an impression is taken from the lower jaw using an impression mass, a cast of a plaster model of the jaw is made. According to the casting of the jaw, the shape of the cap is modeled. Docking unit 2 containing radiopaque marks 3 is placed on cap 1 using a permanent connection. Further, the resulting structure, including cap 1 and docking unit 2, is disinfected and fixed on the patient's lower jaw, after which CT is performed.

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.The tomograph workstation generates a three-dimensional raster image of the patient's individual anatomy. Using the data obtained, segmentation (building a contour) and three-dimensional reconstruction (building a three-dimensional model) of all anatomical structures that are of interest to the surgeon in the upcoming operation are performed. Further, based on the obtained 3D models, the upcoming operation is planned.

Далее полученные данные загружают в программу для настройки визуализации и позиционирования оптического маркера, затем на КТ отмечают три рентгеноконтрастные метки 3. Так как заранее известно смещение маркера относительно меток 3 держателя маркера, программа может точно привязать положение анатомических структур к положению оптического маркера. Тем самым создается модель, накладываемая на пациента во время операции в режиме смешанной реальности, с позиционированием за счет оптического маркера.Next, the obtained data is loaded into the program for setting up the visualization and positioning of the optical marker, then three radiopaque marks 3 are marked on the CT scan. Since the displacement of the marker relative to the marks 3 of the marker holder is known in advance, the program can accurately tie the position of the anatomical structures to the position of the optical marker. This creates a model that is superimposed on the patient during surgery in mixed reality mode, positioned by an optical marker.

Перед операцией держатель маркера собирается полностью: стыковочный узел 2 соединяется с платформой 4, на которой размещается оптический маркер, вся конструкция стерилизуется.Before the operation, the marker holder is assembled completely: the docking station 2 is connected to the platform 4, on which the optical marker is placed, the entire structure is sterilized.

Затем держатель маркера устанавливается на нижнюю челюсть пациента. За счет того, что капа 1 изготовлена индивидуально, она занимает на челюсти пациента в точности то же место, которое было при проведении КТ, поэтому положение платформы 4 с оптическим маркером известно (фиг.2).The marker holder is then placed on the patient's mandible. Due to the fact that the cap 1 is made individually, it occupies exactly the same place on the patient's jaw that was during the CT scan, so the position of the platform 4 with the optical marker is known (figure 2).

Далее проводится операция с использованием смешанной реальности (фиг.3).Next is the operation using mixed reality (figure 3).

Claims

A marker holder for performing surgical operations on the lower jaw using mixed reality technology, including a custom-made cap that allows it to be fixed on the lower jaw, characterized in that it contains a docking unit that includes at least three radiopaque markers that do not lie on one straight line, connected with a cap using a permanent connection, and a platform for attaching an optical marker connected to the docking station using a detachable connection.