RU2844250C2 - Robotic medical system for performing neurosurgical operations on spine - Google Patents
Robotic medical system for performing neurosurgical operations on spineInfo
- Publication number
- RU2844250C2 RU2844250C2 RU2023136131A RU2023136131A RU2844250C2 RU 2844250 C2 RU2844250 C2 RU 2844250C2 RU 2023136131 A RU2023136131 A RU 2023136131A RU 2023136131 A RU2023136131 A RU 2023136131A RU 2844250 C2 RU2844250 C2 RU 2844250C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- surgical
- manipulator
- surgical instruments
- fixing
- manual
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Группа изобретений относится к области медицинской техники, а именно медицинского оборудования для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике, а именно к роботизированным медицинским системам для операций по транспедикулярной фиксации позвонков. Система применима для операций с открытым операционным полем и обладает возможностью проводить следующие хирургические манипуляции: инициализировать отверстия в позвонках шилом, нарезать резьбовые каналы в педикулах позвонков при помощи транспедикулярных метчиков и вкручивать в эти каналы транспедикулярные винты. Осуществление этих хирургических манипуляций происходит с интраоперационной навигацией хирургических инструментов и проводится под контролем стереофотограмметрической системы с фиксированием направления ввода при помощи рабочего органа, установленного на фиксирующем манипуляторе с ручным принципом перемещения. Роботизированная медицинская система имеет возможность анализа хода проведения хирургических манипуляций с их графической визуализацией. Перед эксплуатацией роботизированной медицинской системы используется информационное программное обеспечение для предоперационного планирования. Осуществление работы всех частей системы происходит в соответствии с предлагаемым способом.The group of inventions relates to the field of medical engineering, namely medical equipment for performing neurosurgical operations on the spine, namely to robotic medical systems for operations on transpedicular fixation of vertebrae. The system is applicable for operations with an open surgical field and has the ability to perform the following surgical manipulations: initialize holes in the vertebrae with an awl, cut threaded channels in the pedicles of the vertebrae using transpedicular taps and screw transpedicular screws into these channels. These surgical manipulations are performed with intraoperative navigation of surgical instruments and are carried out under the control of a stereophotogrammetric system with fixation of the input direction using a working element mounted on a fixing manipulator with a manual movement principle. The robotic medical system has the ability to analyze the course of surgical manipulations with their graphic visualization. Before operating the robotic medical system, information software is used for preoperative planning. The operation of all parts of the system occurs in accordance with the proposed method.
Уровень техникиState of the art
Транспедикулярная фиксация позвоночника - хирургическая операция, направленная на закрепление позвонков, друг относительно друга в определенном положении при помощи металлоконструкций в виде стержней и транспедикулярных винтов. Операции на позвоночнике, включающие установку винтов, требуют подготовки отверстий в позвонках перед установкой винтов и обеспечение заданной траектории при их вкручивании. В некоторых вариантах осуществления таких операций используется предоперационное планирование при помощи проведенной компьютерной томографии (DICOM-файла), на основе которой хирург определяет траекторию ввода хирургического инструмента. Также, могут быть использованы методы навигации, такие как флюороскопия, 3D-флюороскопия или методы, основанные на естественных ориентирах. Успех при проведении транспедикулярной фиксации в значительной степени зависит от опыта хирурга. Ошибки расположения винтов при установке их в позвонки является известной проблемой в таких хирургических операциях.Transpedicular fixation of the spine is a surgical operation aimed at fixing the vertebrae relative to each other in a certain position using metal structures in the form of rods and transpedicular screws. Spinal surgeries that include the installation of screws require the preparation of holes in the vertebrae before installing the screws and ensuring a given trajectory when screwing them in. In some embodiments of such operations, preoperative planning is used with the help of computed tomography (DICOM file), based on which the surgeon determines the trajectory of insertion of the surgical instrument. Navigation methods such as fluoroscopy, 3D fluoroscopy or methods based on natural landmarks can also be used. The success of transpedicular fixation largely depends on the experience of the surgeon. Errors in the location of screws when installing them in the vertebrae are a known problem in such surgeries.
Известно применение роботизированных медицинских систем в хирургии для повышения точности проводимых хирургических манипуляций, уменьшения длительности операции и снижения травматического воздействия на ткани, расположенные внутри операционного поля. Роботизированные медицинские системы могут включать в себя: манипуляторы, обеспечивающие навигацию и позиционирование хирургических инструментов; специализированные рабочие органы, использующиеся для фиксации хирургических инструментов; программное обеспечение для интраоперационной навигации и системы управления компонентами роботизированной медицинской системы. Поэтому роботизированная медицинская система - это группа изобретений, включающая в себя несколько составляющих. Известны роботизированные медицинские системы, в которых хирургу приводится направлять робота на искомую траекторию в операционном поле при помощи изображений, отображаемых на двухмерном экране, с дальнейшим выполнением манипуляций с хирургическими инструментами. Такие системы управляются определенным способом, так как хирург должен во время проведения операции одновременно сопоставлять траекторию хирургического инструмента на операционном поле и экране для подтверждения их соответствия.It is known to use robotic medical systems in surgery to improve the accuracy of surgical manipulations, reduce the duration of the operation and reduce the traumatic impact on tissues located inside the surgical field. Robotic medical systems can include: manipulators that provide navigation and positioning of surgical instruments; specialized working bodies used to fix surgical instruments; software for intraoperative navigation and control systems for the components of the robotic medical system. Therefore, a robotic medical system is a group of inventions that includes several components. Robotic medical systems are known in which the surgeon is required to direct the robot to the desired trajectory in the surgical field using images displayed on a two-dimensional screen, with subsequent manipulations with surgical instruments. Such systems are controlled in a certain way, since the surgeon must simultaneously compare the trajectory of the surgical instrument on the surgical field and on the screen during the operation to confirm their compliance.
Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на вращательные электромеханические узлы манипуляторов:Among the components of robotic medical systems, patents for rotary electromechanical units of manipulators are known:
Известен патент электромеханического узла, содержащего волновой редуктор, двигатель и датчик угла поворота, описанный в CN 210361380 U. Особенностью конструкции узла является наличие полого сквозного вала, через который может быть осуществлен скрытый монтаж проводов манипулятора. Недостатком такого решения является отсутствие автоматически управляемого тормоза, который путем подачи напряжения осуществляет торможение выходного звена узла манипулятора при его ручном перемещении. Также недостатком является отсутствие возможности перемещения выходного звена узла манипулятора вручную.A patent for an electromechanical unit containing a wave reducer, a motor and a rotation angle sensor is known, described in CN 210361380 U. The design feature of the unit is the presence of a hollow through shaft, through which hidden installation of the manipulator wires can be carried out. The disadvantage of this solution is the lack of an automatically controlled brake, which, by applying voltage, brakes the output link of the manipulator unit during its manual movement. Another disadvantage is the lack of the ability to move the output link of the manipulator unit manually.
Известен патент электромеханического узла с волновым редуктором, который может быть использован в конструкции многозвенных робототехнические устройств, описанный в RU 94776 U1, с возможностью установки выходного фланца на торце корпуса подвижной части модуля, а входного фланца на торце корпуса неподвижной части модуля. Недостатком такого решения является отсутствие в составе таких конструктивных элементов как: автоматически управляемый тормоз и ручной стопорный эксцентриковый зажим. Также недостатком является отсутствие возможности двухэтапного регулируемого останова, осуществляемого последовательным применением 2ух последовательно включаемых систем, - автоматически управляемого тормоза и ручного стопорного эксцентрикового зажима, что может послужить причиной возникновения экстренных ситуаций из-за несвоевременной остановки выходного фланца. Наличие двигателя делает модуль автоматически перемещаемым, что создает дополнительные риски, связанные с вероятностью сбоя в системе управления модулем.A patent for an electromechanical unit with a wave reducer, which can be used in the design of multi-link robotic devices, is known, described in RU 94776 U1, with the ability to install an output flange on the end of the housing of the moving part of the module, and an input flange on the end of the housing of the fixed part of the module. The disadvantage of this solution is the absence of such design elements as an automatically controlled brake and a manual locking eccentric clamp. Another disadvantage is the lack of the ability to two-stage adjustable stop, carried out by sequentially using 2 sequentially switched on systems - an automatically controlled brake and a manual locking eccentric clamp, which can cause emergency situations due to untimely stopping of the output flange. The presence of a motor makes the module automatically movable, which creates additional risks associated with the likelihood of a failure in the module control system.
Известен патент электромеханического узла для робота, описанный в ЕР 3045273 В1, с возможностью крепления звеньев к выходному фланцу без использования вспомогательных деталей и безопасным нормально замкнутым тормозным устройством. Недостатком такого решения является использование предохранительного фрикционного пружинного тормоза, который останавливает звено при отключении питания, но не участвует в позиционировании звена по причине торможения при помощи храпового механизма, имеющего высокую погрешность позиционирования за счет своей конструкции. Также недостатком является отсутствие эксцентрикового зажима способного осуществлять фиксацию выходного фланца с помощью ручного стопора с величиной нагрузки по моменту торможения до 150 Н*м.A patent for an electromechanical unit for a robot is known, described in EP 3045273 B1, with the ability to attach links to the output flange without using auxiliary parts and a safe normally closed braking device. The disadvantage of this solution is the use of a safety friction spring brake, which stops the link when the power is turned off, but does not participate in the positioning of the link due to braking using a ratchet mechanism, which has a high positioning error due to its design. Another disadvantage is the lack of an eccentric clamp capable of fixing the output flange using a manual stopper with a load value for the braking moment of up to 150 N * m.
Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты манипуляторов для применения в хирургии:Among the components of robotic medical systems, patents for manipulators for use in surgery are known:
Известен манипулятор портального типа для навигации хирургических инструментов при проведении операций на позвоночнике, описанный в CN 110251234 А. Особенностью конструкции является замкнутая кинематическая конструкция манипулятора, который перемещается вдоль хирургического стола. Недостатком существующего решения является отсутствие вращательных фиксирующих узлов, позволяющие осуществлять фиксацию звеньев манипулятора в заданном положении.A portal-type manipulator for navigating surgical instruments during spinal surgeries is known, described in CN 110251234 A. The design feature is a closed kinematic structure of the manipulator, which moves along the surgical table. The disadvantage of the existing solution is the lack of rotary locking units, allowing the fixation of the manipulator links in a given position.
Известен манипулятор, входящий в роботизированную медицинскую систему с интраоперационной навигацией хирургических инструментов на основе данных о положении и перемещении рабочего органа, описанный в CN 101160104 A. Областью применения данной медицинской роботизированной системы является хирургия коленных суставов, а не операций на позвоночнике. Недостатком существующего решения является использование системы противовесов на манипуляторе из-за чего система может заслонять часть поля зрения хирурга и блокировать области вокруг операционного стола. Также недостатком является наличие двигателей в конструкции манипулятора, а не перемещение его хирургом вручную, автоматическое движение манипулятора повышает вероятность ошибки при проведении хирургических операций.A manipulator is known, which is part of a robotic medical system with intraoperative navigation of surgical instruments based on data on the position and movement of the working element, described in CN 101160104 A. The scope of this medical robotic system is knee joint surgery, not spinal surgery. The disadvantage of the existing solution is the use of a counterweight system on the manipulator, due to which the system can obscure part of the surgeon's field of vision and block areas around the operating table. Another disadvantage is the presence of motors in the manipulator design, rather than its manual movement by the surgeon, the automatic movement of the manipulator increases the likelihood of error during surgical operations.
Известен манипулятор, входящий в состав универсального хирургического робота, описанный в RU 2760468 C1. Отличительным признаком данного хирургического робота является применение для интервенционной ангиографической хирургии и интервенционной терапевтической хирургии. Недостатком существующего решения является отсутствие возможности регулирования высоты установки стойки манипулятора над основанием для удобного расположения рабочего органа, благодаря которому может быть осуществлена возможность расположения пациентов с различной толщиной торса. Также недостатком системы является отсутствие вращательных фиксирующих узлов, последовательно соединенных между собой при помощи звеньев.A manipulator is known, which is part of a universal surgical robot, described in RU 2760468 C1. A distinctive feature of this surgical robot is its use for interventional angiographic surgery and interventional therapeutic surgery. The disadvantage of the existing solution is the lack of the ability to adjust the height of the manipulator stand above the base for a convenient location of the working element, due to which it is possible to position patients with different torso thicknesses. Another disadvantage of the system is the lack of rotary locking units, sequentially connected to each other by means of links.
Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на системы управления манипуляторов:Among the components of robotic medical systems, patents for manipulator control systems are known:
Известна система управления хирургическим роботом, описанная в WO 2021198661 A2. Особенностью данного решения является наличие в системе управления возможности управления положением манипулятора на основании данных с датчиков сил и крутящих моментов, установленных во вращательных фиксирующих узлах, что позволяет компенсировать силовые и моментные нагрузки, приложенные к манипулятору извне. Недостатком подобного решения является отсутствие возможности осуществления движения манипулятора с переключением питания между электромеханическими узлами при помощи элемента перераспределения питания. Наличие подобного элемента в системе управления позволяет переключать питание между автоматически управляемыми тормозами вращательных фиксирующих узлов и минимизирует количество потребляемой энергии.A surgical robot control system is known, described in WO 2021198661 A2. A feature of this solution is the presence in the control system of the ability to control the position of the manipulator based on data from force and torque sensors installed in the rotary fixing units, which allows compensating for force and torque loads applied to the manipulator from the outside. The disadvantage of such a solution is the lack of the ability to move the manipulator with switching power between electromechanical units using a power redistribution element. The presence of such an element in the control system allows switching power between automatically controlled brakes of the rotary fixing units and minimizes the amount of energy consumed.
Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на хирургические инструменты с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы:Among the components of robotic medical systems, patents are known for surgical instruments with integrated spherical markers of a stereophotogrammetric measuring system:
Известно крепление со сферическими маркерами для хирургических шила, метчика, отвертки, описанное в US 6021343. Изделие представляет собой переходник с креплением, оснащенным сферическими маркерами. На обоих концах переходника расположены выступы или отверстия квадратной формы для позиционирования крепления и хирургического инструмента. Имеется возможность быстрой смены хирургического инструмента непосредственно во время операции. Недостатком подобного решения является отсутствие возможности крепления хирургическое беспроводное устройство, позволяющего осуществлять сбор интраоперационных данных о силах и моментах, возникающих при взаимодействии хирургических инструментов с оперируемыми тканями позвоночника, а также отсутствие креплений с интегрированными сферическими маркерами для хирургических инструментов, таких как игловой щуп и упругий зажим, позволяющих осуществлять привязку 3D модели позвонка к его фактическому положению, а также отсутствие креплений с интегрированными сферическими маркерами под набор инструментов к хирургическому беспроводному устройству, таких как нейрохирургическое шило, транспедикулярный метчик и транспедикулярная отвертка с винтом.A mount with spherical markers for a surgical awl, tap, screwdriver is known, described in US 6021343. The product is an adapter with a mount equipped with spherical markers. On both ends of the adapter there are projections or holes of a square shape for positioning the mount and the surgical instrument. It is possible to quickly change the surgical instrument directly during the operation. The disadvantage of such a solution is the lack of the ability to attach a surgical wireless device that allows collecting intraoperative data on the forces and moments that arise during the interaction of surgical instruments with the operated tissues of the spine, as well as the lack of fasteners with integrated spherical markers for surgical instruments, such as a needle probe and an elastic clamp, allowing the binding of a 3D model of a vertebra to its actual position, as well as the lack of fasteners with integrated spherical markers for a set of instruments to a surgical wireless device, such as a neurosurgical awl, a transpedicular tap and a transpedicular screwdriver with a screw.
Известен патент на пружинное крепление со сферическими маркерами к цилиндрической поверхности хирургического инструмента, описанное в US 11644053 В2. Особенностью решение является использование крепления с различными хирургическими инструментами. Недостатком решения является наличие большого количества подвижных деталей, что негативно сказывается на надежности конструкции. Также недостатком является отсутствие дополнительных креплений в виде параллелепипеда с отверстиями под нейрохирургическое сверло и трапецеидальной призмы под нейрохирургическое шило, транспедикулярный метчик и транспедикулярную отвертку с винтом для калибровки параметров ориентации хирургических инструментов в 3D пространстве роботизированной медицинской системы.A patent for a spring mount with spherical markers to a cylindrical surface of a surgical instrument is known, described in US 11644053 B2. The solution features the use of a mount with various surgical instruments. The disadvantage of the solution is the presence of a large number of moving parts, which negatively affects the reliability of the structure. Another disadvantage is the lack of additional mounts in the form of a parallelepiped with holes for a neurosurgical drill and a trapezoidal prism for a neurosurgical awl, a transpedicular tap and a transpedicular screwdriver with a screw for calibrating the orientation parameters of surgical instruments in the 3D space of a robotic medical system.
Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на рабочие органы для использования в хирургии с креплением к манипулятору:Among the components of robotic medical systems, patents are known for working elements for use in surgery with attachment to a manipulator:
Известен медицинский рабочий орган для использования совместно с роботизированной медицинской системой, описанный в ЕР 3344179 В1. Особенностью данной конструкции является описанная возможность встраивания датчика положения хирургического инструмента непосредственно в рабочий орган. Недостатком существующего решения является необходимость замены рабочего органа непосредственно во время проведения операции, что негативно влияет на точность позиционирования хирургических инструментов.A medical working element for use together with a robotic medical system is known, described in EP 3344179 B1. A feature of this design is the described possibility of embedding a surgical instrument position sensor directly into the working element. A disadvantage of the existing solution is the need to replace the working element directly during the operation, which negatively affects the accuracy of positioning of surgical instruments.
Известен медицинский рабочий орган для роботизированных хирургических систем, который может быть использован в качестве направляющей для различных хирургических инструментов, описанный в ЕР 3351202 А1. Особенностью данной направляющей для хирургических инструментов является возможность ее прямого крепления на выходном фланце манипулятора роботизированной хирургической системы или соединение с ним через промежуточную рукоятку. Недостатком существующего решения является необходимость использовать нестандартные удлиненные версии хирургических инструментов и канюль, а также отсутствие базирующих отверстий в форме конуса, позволяющих осуществлять привязку математической оси для направления хода хирургических инструментов рабочего органа к ее действительному местоположению в пространстве рабочей зоны манипулятора.A medical working element for robotic surgical systems is known, which can be used as a guide for various surgical instruments, described in EP 3351202 A1. A feature of this guide for surgical instruments is the possibility of its direct attachment to the output flange of the manipulator of the robotic surgical system or connection to it through an intermediate handle. A disadvantage of the existing solution is the need to use non-standard elongated versions of surgical instruments and cannulas, as well as the lack of locating holes in the form of a cone, allowing the binding of the mathematical axis for guiding the movement of surgical instruments of the working element to its actual location in the space of the working area of the manipulator.
Известен патент на рабочий орган в виде автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента, описанный в RU 2715684 C1. Особенностью данного рабочего органа является использование в своей конструкции механизма параллельной кинематики. Данная система предназначена для использования в областях хирургии, таких как эндоскопическая и открытая хирургия, а также микрохирургия и нейрохирургия. Недостатком существующего решения является большая масса системы, которая ведет к необходимости использовать более грузоподъемные и массивные модели манипуляторов для ее установки. Еще одним недостатком данной системы является отсутствие бтикомпонентного датчика, определяющего силы и моменты, прикладываемые к рабочему органу при проведении хирургических манипуляций.A patent for a working element in the form of an autonomous mobile module of a robotic surgical instrument is known, described in RU 2715684 C1. A special feature of this working element is the use of a parallel kinematics mechanism in its design. This system is intended for use in areas of surgery, such as endoscopic and open surgery, as well as microsurgery and neurosurgery. The disadvantage of the existing solution is the large mass of the system, which leads to the need to use more load-bearing and massive models of manipulators for its installation. Another disadvantage of this system is the lack of a bicomponent sensor that determines the forces and moments applied to the working element during surgical manipulations.
Известен патент на рабочий орган с ограничением движения хирургического инструмента по вертикали и обеспечением возможности извлечения хирургического инструмента из держателя с небольшим усилием, описанный в US 20140066944 A1. Недостатком существующего решения является невозможность его использования совместно с креплением со сферическими маркерами и стереофотограмметрической системой что повышает погрешность позиционирования и делает невозможным процесс навигации ряда хирургических инструментов, необходимых для операции по транспедикулярной фиксации позвоночника. Также недостатком является отсутствие резьбовых отверстий для установки ручки в удобном хирургу положении для перемещения звеньев манипулятора, в котором установлен рабочий орган.A patent is known for a working element with a limitation of vertical movement of a surgical instrument and the ability to extract a surgical instrument from a holder with a small force, described in US 20140066944 A1. The disadvantage of the existing solution is the impossibility of its use in conjunction with a mount with spherical markers and a stereophotogrammetric system, which increases the positioning error and makes it impossible to navigate a number of surgical instruments necessary for transpedicular fixation of the spine. Another disadvantage is the lack of threaded holes for installing the handle in a position convenient for the surgeon to move the links of the manipulator in which the working element is installed.
Известен рабочий орган для роботизированной медицинской системы, описанный в US 20230013550 A1, который может работать с различными хирургическими инструментами. Данная система способна самостоятельно определять установленный в нее хирургический инструмент. Недостатком такого решения отсутствие разрезного упругого зажима, используемого в качестве направляющей с возможностью осуществлять зажатие втулок, установленных на применяемых хирургических инструментах, что приводит к возникновению зазора между поверхностью хирургического инструмента и внутренней поверхностью канюли, тем самым усложняя позиционирование хирургического инструмента по необходимой траектории.A working element for a robotic medical system is known, described in US 20230013550 A1, which can work with various surgical instruments. This system is capable of independently determining the surgical instrument installed in it. The disadvantage of this solution is the lack of a split elastic clamp used as a guide with the ability to clamp the bushings installed on the surgical instruments used, which leads to the occurrence of a gap between the surface of the surgical instrument and the inner surface of the cannula, thereby complicating the positioning of the surgical instrument along the required trajectory.
Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на способы навигации хирургических инструментов и программное обеспечение для роботизированных медицинских систем. В основном, подобные способы описываются совместно с описаниями систем для хирургической навигации:Among the components of robotic medical systems, patents are known for methods of navigation of surgical instruments and software for robotic medical systems. Basically, such methods are described together with descriptions of systems for surgical navigation:
Известна система для хирургической навигации, описанная в RU 2019143439 A, включающая устройство пространственной ориентации хирургического инструмента для хирургической навигации. Данная система обеспечивает повышение точности хирургической навигации и микроманипуляций, а также сокращение времени операции. Недостатком данного решения является невозможность использования навигационной системы в рамках роботизированной медицинской системы из-за отсутствия привязки 3D моделей позвонков к фактическому положению позвонков в пространстве, которая осуществляется при помощи измерения координат сферических маркеров стереофотограмметрической измерительной системой. Также недостатком является отсутствие предоперационного планирования траекторий ввода транспедикулярных винтов с объемной визуализацией позвонков пациента, с возможностью их свободного ориентирования в 3D пространстве и возможностью визуальной настройки расположения сечений на 3D моделях позвонков.A surgical navigation system described in RU 2019143439 A is known, including a device for spatial orientation of a surgical instrument for surgical navigation. This system provides increased accuracy of surgical navigation and micromanipulations, as well as a reduction in the operation time. The disadvantage of this solution is the impossibility of using the navigation system within the robotic medical system due to the lack of binding of 3D models of vertebrae to the actual position of the vertebrae in space, which is carried out by measuring the coordinates of spherical markers with a stereophotogrammetric measuring system. Another disadvantage is the lack of preoperative planning of pedicle screw insertion trajectories with volumetric visualization of the patient's vertebrae, with the possibility of their free orientation in 3D space and the ability to visually adjust the location of sections on 3D models of the vertebrae.
Известна система для хирургической навигации, описанная в ЕР 1743591 А2, которая включает в себя неинвазивное устройство и\или инвазивный маркер, который принимается за точку отсчета на теле пациента. Навигация осуществляется при помощи хирургических инструментов с сенсорными наконечниками. Недостатком такого решения является отсутствие способа интраоперационной навигации хирургических инструментов при помощи объемной мишени, визуализирующей координаты положения концевой точки хирургических инструментов с креплениями, имеющими сферические маркеры стереофотограмметрической измерительной системы.A system for surgical navigation is known, described in EP 1743591 A2, which includes a non-invasive device and/or an invasive marker, which is taken as a reference point on the patient's body. Navigation is carried out using surgical instruments with sensor tips. The disadvantage of this solution is the lack of a method for intraoperative navigation of surgical instruments using a volumetric target visualizing the coordinates of the position of the end point of surgical instruments with fasteners having spherical markers of a stereophotogrammetric measuring system.
Известно программное обеспечение для хирургической навигации, описанное в рамках патента US 20190021795 A1 на роботизированную хирургическую систему. Данная система состоит из компьютера для планирования хирургической операции, подключенного к рентгеноскопическому устройству и стереофотограмметрической системе для отслеживания маркеров. Недостатком такого решения является отсутствие хирургического беспроводного устройства с рабочим органом с возможностью получения информации о ходе выполняемой хирургической манипуляции для последующего представления этой информации хирургу для интраоперационного анализа. Также недостатком является невозможность осуществления двухэтапного регулируемого останова ручного фиксирующего манипулятора по заданному направлению.Surgical navigation software is known, described in the framework of patent US 20190021795 A1 for a robotic surgical system. This system consists of a computer for planning a surgical operation, connected to a fluoroscopic device and a stereophotogrammetric system for tracking markers. The disadvantage of this solution is the lack of a surgical wireless device with a working element with the ability to obtain information on the progress of the surgical manipulation being performed for subsequent presentation of this information to the surgeon for intraoperative analysis. Another disadvantage is the impossibility of implementing a two-stage adjustable stop of the manual fixing manipulator in a given direction.
Известна система и способ управления и навигации хирургического робота, описанная в WO 2023038906 A1. Особенностью данной системы является корректирование положения хирургического робота, в ответ на обнаружение движения пациента при помощи методов отслеживания на основе стереофотограмметрической системы и данных, полученных с датчиков. Недостатком такого решения является отсутствие иглового щупа для инициализации оси рабочего органа, определяющей ход проведения хирургических манипуляций и траекторию ввода хирургических инструментов в роботизированной медицинской системе. Наличие возможности применения иглового щупа позволяет точнее осуществлять привязку позвонков пациента к их трехмерным моделям.A system and method for controlling and navigating a surgical robot are known, described in WO 2023038906 A1. A feature of this system is the correction of the position of the surgical robot in response to the detection of patient movement using tracking methods based on a stereophotogrammetric system and data obtained from sensors. The disadvantage of this solution is the lack of a needle probe for initializing the axis of the working element, which determines the course of surgical manipulations and the trajectory of insertion of surgical instruments in a robotic medical system. The ability to use a needle probe allows for more accurate binding of the patient's vertebrae to their three-dimensional models.
Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на роботизированные медицинские системы для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике:Among the components of robotic medical systems, patents are known for robotic medical systems for performing neurosurgical operations on the spine:
Известна роботизированная медицинская система для проведения минимально инвазивной транспедикулярной фиксации, описанная в работе ЕР 3258872 В1. Недостатком такого типа роботизированной медицинской системы является принцип взаимодействия с пациентом. Рабочий орган манипулятора во время проведения операции находится в непосредственном контакте с мягкими тканями. Недостатком такой конфигурации является неспособность к противодействию при возникновении экстренной ситуации, связанной с заклиниванием шарниров манипулятора. В таком случае становится невозможным вытянуть рабочий орган манипулятора из операционной области. Это обусловлено тем, что рабочий орган представляет собой расширитель-направляющую, которая помещается внутрь тела пациента и жестко соединена с конструкцией выходного фланца манипулятора. В результате снижается безопасность роботизированной медицинской системы. Также недостатком является отсутствие информационного программного модуля для анализа хода проведения хирургической манипуляции по вкручиванию транспедикулярных винтов, графически визуализирующий врачу информацию о ходе данного процесса на экран.A robotic medical system for minimally invasive transpedicular fixation is known, described in work EP 3258872 B1. The disadvantage of this type of robotic medical system is the principle of interaction with the patient. The working element of the manipulator is in direct contact with soft tissues during the operation. The disadvantage of this configuration is the inability to resist in the event of an emergency situation associated with jamming of the hinges of the manipulator. In this case, it becomes impossible to pull the working element of the manipulator out of the operating area. This is due to the fact that the working element is an expander-guide, which is placed inside the patient's body and is rigidly connected to the structure of the output flange of the manipulator. As a result, the safety of the robotic medical system is reduced. Another disadvantage is the lack of an information software module for analyzing the progress of the surgical manipulation of screwing in transpedicular screws, graphically visualizing information about the progress of this process to the doctor on the screen.
Известна роботизированная система для позиционирования хирургического инструмента по обратной связи, описанная в ЕР 3824839 А1, особенностью данной системы является автоматическое выравнивание траектории хирургического инструмента. Отличительный признак данной системы наличие двух линейных степеней подвижности. Недостатком такого решения является отсутствие хирургического беспроводного устройства, предоставляющего хирургу информацию о силах и моментах, возникающих при проведении транспедикулярной фиксации, для интраоперационного анализа.A robotic system for positioning a surgical instrument using feedback is known, described in EP 3824839 A1, a feature of this system is the automatic alignment of the trajectory of the surgical instrument. A distinctive feature of this system is the presence of two linear degrees of mobility. The disadvantage of this solution is the lack of a surgical wireless device that provides the surgeon with information on the forces and moments that arise during transpedicular fixation for intraoperative analysis.
Известна роботизированная медицинская система для минимально инвазивного хирургического вмешательства, описанная в RU 2412799 C2. Данная система предназначена для использования в областях хирургии, таких как лапароскопия в урологии, гинекологии и кардиологии. Данная система не приспособлена для операции по транспедикулярной фиксации позвоночника. Недостатком данного решения является автоматическое перемещение звеньев манипулятора, что в противовес ручному повышает вероятность ошибки и снижает безопасность системы при проведении хирургических операций, а также отсутствие креплений со сферическими маркерами на хирургических инструментах, что не позволяет осуществлять привязку 3D модели оперируемой части к ее фактическому положению.A robotic medical system for minimally invasive surgery is known, described in RU 2412799 C2. This system is intended for use in areas of surgery, such as laparoscopy in urology, gynecology and cardiology. This system is not suitable for transpedicular fixation of the spine. The disadvantage of this solution is the automatic movement of the manipulator links, which, as opposed to manual, increases the likelihood of error and reduces the safety of the system during surgical operations, as well as the lack of fasteners with spherical markers on surgical instruments, which does not allow binding the 3D model of the operated part to its actual position.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) был выбран патент US 20190021795 А1. Данная роботизированная медицинская система состоит из компьютера для планирования хирургической операции, подключенного к рентгеноскопическому устройству, стереофотограмметрической системы для отслеживания маркеров и робота. Недостатком прототипа при проведении нейрохирургических операций на позвоночнике являются использование набора хирургических инструментов, изготовленных специально для работ с конкретной роботизированной медицинской системой, установка винта Шанца для крепления одного из оптических маркеров, использование канюли в качестве направляющей, что приводит к возникновению зазора, усложняющего позиционирование хирургического инструмента по необходимой траектории. Также, недостатком прототипа является отсутствие ручного фиксирующего манипулятора на базе вращательных фиксирующих узлов с системой управления, осуществляющий двухэтапный регулируемый останов рабочего органа с его фиксацией в рамках выбранного направления в соответствии со способом навигации и отсутствие интраоперационной навигации хирургических инструментов, включающей программный модуль для сбора координат точек поверхностей позвонка.The patent US 20190021795 A1 was chosen as the closest analogue (prototype). This robotic medical system consists of a computer for planning a surgical operation connected to an fluoroscopic device, a stereophotogrammetric system for tracking markers and a robot. The disadvantage of the prototype when performing neurosurgical operations on the spine is the use of a set of surgical instruments made specifically for work with a specific robotic medical system, the installation of a Shantz screw for attaching one of the optical markers, the use of a cannula as a guide, which leads to a gap that complicates the positioning of the surgical instrument along the required trajectory. Also, the disadvantage of the prototype is the lack of a manual fixing manipulator based on rotary fixing units with a control system that performs a two-stage adjustable stop of the working element with its fixation within the selected direction in accordance with the navigation method and the lack of intraoperative navigation of surgical instruments, including a software module for collecting coordinates of vertebral surface points.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Рассматриваемая группа изобретений составляет роботизированную медицинскую систему для нейрохирургических операций на позвоночнике. Система включает в себя фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения на базе вращательных фиксирующих узлов с функцией двухэтапного регулируемого останова. Наличие фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения позволяет повысить точность при позиционировании хирургических инструментов и уменьшить время проведения хирургической операции по сравнению с операциями без использования роботизированной медицинской системы. На выходном фланце фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения установлен рабочий орган с разрезным упругим зажимом, используемым в качестве направляющей с возможностью осуществлять зажатие втулок, установленных на применяемых в роботизированной медицинской системе хирургических инструментах. Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения взаимодействует со стереофотограмметрической системой, осуществляющей интраоперационную навигацию хирургических инструментов, а также с информационным программным обеспечением для предоперационного планирования и проведения хирургических операций на позвоночнике. Использование информационного программного обеспечения для предоперационного планирования и интраоперационной навигации хирургических инструментов, включающего информационные программные модули для управления оборудованием операционной, для сбора координат точек поверхности позвонка и для планирования и навигации в нейрохирургии позвоночника способствует получению хирургом более полной информации о ходе проведения хирургической операцию, что позволяет быстрее принимать решения и точнее прогнозировать реакцию на проводимые хирургические манипуляции.The group of inventions under consideration constitutes a robotic medical system for neurosurgical operations on the spine. The system includes a fixing manipulator with a manual movement principle based on rotary fixing units with a two-stage adjustable stop function. The presence of a fixing manipulator with a manual movement principle allows for increasing the accuracy of positioning surgical instruments and reducing the time of performing a surgical operation compared to operations without using a robotic medical system. On the output flange of the fixing manipulator with a manual movement principle, a working element with a split elastic clamp is installed, used as a guide with the ability to clamp bushings installed on surgical instruments used in the robotic medical system. The fixing manipulator with a manual movement principle interacts with a stereophotogrammetric system that performs intraoperative navigation of surgical instruments, as well as with information software for preoperative planning and performing surgical operations on the spine. The use of information software for preoperative planning and intraoperative navigation of surgical instruments, including information software modules for operating room equipment control, for collecting coordinates of vertebral surface points and for planning and navigation in spinal neurosurgery, helps the surgeon obtain more complete information about the progress of the surgical operation, which allows for faster decision-making and more accurate prediction of the response to the surgical manipulations being performed.
Технический результат заключается в возможности осуществлять навигацию хирургических инструментов при помощи рабочего органа, установленного на фиксирующем манипуляторе с ручным принципом перемещения, и стереофотограмметрической системы в соответствии с предлагаемым способом. Предлагаемая роботизированная медицинская система направлена на проведение хирургических операций по транспедикулярной фиксации позвонков с открытым операционным полем. Хирургические операции включают следующий набор хирургических манипуляций: инициализация отверстия в позвонках шилом, нарезание резьбовых каналов в педикулах позвонков при помощи транспедикулярных метчиков и вкручивание в эти каналы транспедикулярных винтов.The technical result consists in the possibility of navigating surgical instruments using a working element mounted on a fixing manipulator with a manual movement principle and a stereophotogrammetric system in accordance with the proposed method. The proposed robotic medical system is aimed at performing surgical operations on transpedicular fixation of vertebrae with an open surgical field. Surgical operations include the following set of surgical manipulations: initialization of the opening in the vertebrae with an awl, cutting threaded channels in the pedicles of the vertebrae using transpedicular taps and screwing transpedicular screws into these channels.
Заявленное техническое решение позволяет, в отличии от ближайшего прототипа, использовать набор хирургических инструментов аналогичный тому, что применяется при проведении стандартных хирургических операций на позвоночнике без использования роботизированной медицинской системы. Благодаря этому хирург имеет возможность проводить операцию как при использовании роботизированной медицинской системы, так и просто применяя набор хирургических инструментов. Также, заявленная роботизированная медицинская система позволяет не использовать винт Щанца для крепления оптического маркера, что снижает травматизацию при проведении хирургических манипуляций. Конструкция фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения не содержит двигателей, а перемещается хирургом вручную, что повышает безопасность работы при проведении хирургических операций на позвоночнике, исключая все возможные ошибки, связанные с автоматическим движением робота. Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения снабжен вращательными фиксирующими узлами, обеспечивающими удержание и фиксацию его звеньев в заданном положении. Также информационный программный модуль для анализа хода проведения хирургической операции, графически визуализирует хирургу информацию о силовых и моментных нагрузках, возникающих в ходе проведения различных хирургических манипуляций.The claimed technical solution, unlike the closest prototype, allows using a set of surgical instruments similar to those used in standard surgical operations on the spine without using a robotic medical system. Due to this, the surgeon has the opportunity to perform an operation both using a robotic medical system and simply using a set of surgical instruments. Also, the claimed robotic medical system allows not to use a Schantz screw for attaching an optical marker, which reduces trauma during surgical manipulations. The design of the fixing manipulator with a manual movement principle does not contain engines, but is moved manually by the surgeon, which increases the safety of work during surgical operations on the spine, eliminating all possible errors associated with the automatic movement of the robot. The fixing manipulator with a manual movement principle is equipped with rotary locking units that ensure holding and fixing its links in a given position. Also, the information software module for analyzing the progress of a surgical operation graphically visualizes information to the surgeon about the force and torque loads that arise during various surgical manipulations.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения признаков настоящего изобретения. На чертежах одинаковые позиции применяются для обозначения одинаковых деталей или элементов конструкции.The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the foregoing general description of the invention and the following detailed description of embodiments, serve to explain the features of the present invention. In the drawings, like reference numerals are used to designate like parts or structural elements.
На фиг. 1 представлен общий вид операционной, в которой размещена роботизированная медицинская система для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике.Fig. 1 shows a general view of the operating room, which houses a robotic medical system for performing neurosurgical operations on the spine.
На фиг. 2 представлена конструкция и основные компоненты фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения на базе вращательных фиксирующих узлов с функцией двухэтапного регулируемого останова.Fig. 2 shows the design and main components of a fixing manipulator with a manual movement principle based on rotary fixing units with a two-stage adjustable stop function.
На фиг. 3А представлен общий вид вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова первой оси.Fig. 3A shows a general view of a rotary locking unit with a two-stage adjustable stop function for the first axis.
На фиг. 3Б представлен общий вид вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова второй оси.Fig. 3B shows a general view of the rotary locking unit with the function of a two-stage adjustable stop of the second axis.
На фиг. 3В представлен общий вид вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова третьей оси.Fig. 3B shows a general view of a rotary locking unit with a two-stage adjustable stop function for the third axis.
На фиг. 3Г представлен общий вид вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова четвертой оси.Fig. 3G shows a general view of the rotary locking unit with the function of a two-stage adjustable stop of the fourth axis.
На фиг. 4 представлен общий вид конструкции подъемного механизма и оси первого звена.Fig. 4 shows a general view of the design of the lifting mechanism and the axis of the first link.
На фиг. 5 представлен общий вид конструкции звена второй оси.Fig. 5 shows a general view of the design of the second axle link.
На фиг. 6 представлен общий вид конструкции звена третьей оси.Fig. 6 shows a general view of the design of the third axle link.
На фиг. 7 представлен общий вид конструкции звена четвертой оси.Fig. 7 shows a general view of the design of the fourth axle link.
На фиг. 8 представлен общий вид конструкции рабочего органа роботизированной медицинской системы с разрезным упругим зажимом.Fig. 8 shows a general view of the design of the working element of a robotic medical system with a split elastic clamp.
На фиг. 9 представлен общий вид конструкции рабочего органа роботизированной медицинской системы с встроенным бтикомпонентным силомоментным датчиком.Fig. 9 shows a general view of the design of the working element of a robotic medical system with a built-in multi-component force-torque sensor.
На фиг. 10 представлен внешний вид стойки системы управления роботизированной медицинской системой на базе элемента перераспределения питания между автоматически управляемыми тормозами.Fig. 10 shows the external appearance of the control system rack of the robotic medical system based on the power redistribution element between automatically controlled brakes.
На фиг. 11 представлена схема электронных блоков системы управления.Fig. 11 shows a diagram of the electronic units of the control system.
На фиг. 12 представлена схема системы управления электронного блока перераспределения питания.Fig. 12 shows a diagram of the control system of the electronic power redistribution unit.
На фиг. 13 представлен набор хирургических инструментов с интегрированными сферическими маркерами.Fig. 13 shows a set of surgical instruments with integrated spherical markers.
На фиг. 14 представлена конструкция иглового щупа с интегрированными сферическими маркерами.Fig. 14 shows the design of a needle probe with integrated spherical markers.
На фиг. 15 представлена конструкция упругого зажима с интегрированными сферическими маркерами.Fig. 15 shows the design of an elastic clamp with integrated spherical markers.
На фиг. 16 представлены детали для калибровки ориентации хирургических инструментов и способ их применения.Fig. 16 shows the components for calibrating the orientation of surgical instruments and the method of using them.
На фиг. 17 представлена вкладка редактирования данных пациента информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы.Fig. 17 shows the patient data editing tab of the robotic medical system information software.
На фиг. 18 представлены изображения модели пациента, с применением различных моделей освещения для позвонков (слева - только цвет, справа - освещение по Фонгу).Fig. 18 shows images of the patient model using different lighting patterns for the vertebrae (left - only color, right - Phong lighting).
На фиг. 19 представлена вкладка планирования траектории введения винта в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.Fig. 19 shows the screw insertion trajectory planning tab in the robotic medical system information software.
На фиг. 20 представлена вкладка планирования траектории введения винта с дополнительными элементами управления в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.Fig. 20 shows the screw insertion trajectory planning tab with additional control elements in the information software of the robotic medical system.
На фиг. 21 представлена вкладка подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.Fig. 21 shows the tab for preparing the surfaces of the 3D model of the vertebra for binding in the information software of the robotic medical system.
На фиг. 22 представлена вкладка проведения калибровки и проверки положения кончика хирургического инструмента в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.Fig. 22 shows the tab for performing calibration and checking the position of the tip of the surgical instrument in the information software of the robotic medical system.
На фиг. 23 представлена вкладка проведения калибровки и проверки ориентации оси хирургического инструмента в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.Fig. 23 shows the tab for performing calibration and checking the orientation of the surgical instrument axis in the information software of the robotic medical system.
На фиг. 24 представлена вкладка виртуальной сцены в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.Fig. 24 shows the virtual scene tab in the information software of the robotic medical system.
На фиг. 25 представлен способ применения иглового щупа для привязки к позвонку пациента.Fig. 25 shows a method for using a needle probe for attachment to a patient's vertebra.
На фиг. 26 представлен алгоритм применения иглового щупа для привязки к позвонку пациента.Fig. 26 shows the algorithm for using a needle probe for attachment to the patient's vertebra.
На фиг. 27 представлен алгоритм сведения измеренных точек позвонка с поверхностями его трехмерной модели.Fig. 27 shows the algorithm for bringing together the measured points of the vertebra with the surfaces of its three-dimensional model.
На фиг. 28 представлен способ привязки рабочего органа роботизированной медицинской системы.Fig. 28 shows a method for attaching the working element of a robotic medical system.
На фит. 29 представлен алгоритм применения иглового щупа для привязки рабочего органа роботизированной медицинской системы.Fig. 29 shows an algorithm for using a needle probe to attach the working element of a robotic medical system.
На фиг. 30 представлен способ наведения оси рабочего органа роботизированной медицинской системы на запланированную траекторию введения хирургических инструментов в позвонок пациента.Fig. 30 shows a method for guiding the axis of the working element of a robotic medical system to the planned trajectory of insertion of surgical instruments into the patient's vertebra.
На фиг. 31 представлен график перемещение звена фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения на заданный угол.Fig. 31 shows a graph of the movement of a link of a fixing manipulator with a manual principle of movement at a given angle.
На фиг. 32 представлен способ применения хирургического беспроводного устройства с хирургическим инструментом, установка в рабочий орган хирургического беспроводного устройства при помощи разрезного зажима.Fig. 32 shows a method for using a surgical wireless device with a surgical instrument, installing it in the working element of the surgical wireless device using a split clamp.
На фиг. 33 представлен процесс получения информации о ходе выполняемой хирургической манипуляций для последующего представления этой информации врачу для интраоперационного анализа.Fig. 33 shows the process of obtaining information about the progress of the surgical manipulation being performed for subsequent presentation of this information to the doctor for intraoperative analysis.
На фиг. 34 представлена вкладка интраоперационной навигации в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.Fig. 34 shows the intraoperative navigation tab in the information software of the robotic medical system.
На фиг. 35 представлен анализа хода проведения хирургической манипуляции по вкручиванию транспедикулярных винтов, графически визуализирующий врачу информацию о ходе данного процесса на экран.Fig. 35 shows an analysis of the progress of the surgical manipulation of screwing in transpedicular screws, graphically visualizing information about the progress of this process to the doctor on the screen.
ОбозначенияDesignations
1 Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения1 Fixing manipulator with manual movement principle
2 Рабочий орган2 Working body
3 Стереофотограмметрическая система3 Stereophotogrammetric system
4 Система управления4 Control system
5 Набор хирургических инструментов5 Set of surgical instruments
6 Пациент6 Patient
7 Операционный стол7 Operating table
8 Хирург8 Surgeon
9 Подвижное рельсовое основание фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения9 Movable rail base of the fixing manipulator with manual movement principle
10 Первый фланец10 First flange
11 Автоматически управляемый тормоз11 Automatically controlled brake
12 Вал вращательного фиксирующего узла торможения12 Shaft of the rotary braking locking unit
13 Плита автоматически управляемого тормоза13 Automatically controlled brake plate
14 Автоматически управляемый тормоз14 Automatically controlled brake
15 Корпус вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова15 Rotary locking unit housing with two-stage adjustable stop function
16 Регулировочная гайка16 Adjusting nut
17 Проушина эксцентрика17 Eccentric eye
18 Эксцентрик18 Eccentric
19 Рукоять эксцентрика19 Eccentric handle
20 Переходник на поворотную рукоятку эксцентрика20 Adapter for rotary eccentric handle
21 Стерильный чехол фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения21 Sterile cover for fixing manipulator with manual movement principle
22 Запирающий элемент ручки22 Handle locking element
23 Муфта23 Coupling
24 Пружина сжатия24 Compression spring
25 Металлический шарик25 Metal ball
26 Конический упорный подшипник26 Tapered thrust bearing
27 Переходной фланец27 Transition flange
28 Цилиндрическая деталь с окном28 Cylindrical part with window
29 Упорный шариковый подшипник29 Thrust ball bearing
30 Крышка подшипников вращательного фиксирующего узла первой оси30 Bearing cover of the first axis rotary locking unit
31 Корпус подъемного механизма31 Lifting mechanism housing
32 Выходной фланец фиксирующего вращательного узла первой оси32 Output flange of the first axis locking rotary unit
33 Крышка корпуса подьемного механизма33 Lifting mechanism housing cover
34 Ходовой винт34 Lead screw
35 Цилиндрическая направляющая35 Cylindrical guide
36 Ходовая платформа36 Chassis platform
37 Опора направляющей37 Guide support
38 Опора с подшипниками38 Support with bearings
39 Трапецеидальная гайка39 Trapezoidal nut
40 Шариковая втулка с фланцем40 Ball bushing with flange
41 Маховик41 Flywheel
42 Ручка маховика42 Handwheel handle
43 Нижнего элемента ходового цилиндра43 Lower element of the running cylinder
44 Верхний элемент ходового цилиндра44 Upper element of the running cylinder
45 Стопорный винт45 Locking screw
46 Корпусной элемент фиксирующего звена второй оси46 Housing element of the second axle locking link
47 Угловое ребро жесткости47 Corner stiffener
48 Крышка элемента фиксирующего звена второй оси48 Cover of the element of the fixing link of the second axle
49 Крышка подшипников вращательного фиксирующего узла второй оси49 Bearing cover of the second axis rotary locking unit
50 Плита звена третьей оси50 Third axle link plate
51 Выходной фланец вращательного фиксирующего узла второй оси51 Output flange of the second axis rotary locking unit
52 Корпус звена третьей оси52 Third axle link housing
53 Крепежная пластина для установки вращательного фиксирующего узла53 Mounting plate for installing the rotary locking unit
54 Крепежная пластина для установки автоматически управляемого тормоза54 Mounting plate for installation of automatically controlled brake
55 Крышка подшипников фиксирующего вращательного фиксирующего узла третьей оси55 Bearing cover of the third axis rotating locking unit
56 Вспомогательный вал56 Auxiliary shaft
57 Плита звена четвертой оси57 Fourth Axis Link Plate
58 Выходной фланец фиксирующего вращательного фиксирующего узла третьей оси58 Output flange of the third axis rotary locking unit
59 Лицевая крепежная пластина59 Faceplate Mounting Plate
60 Торцевая крепежная пластина60 End Mounting Plate
61 Крышка подшипников вращательного фиксирующего узла четвертой оси61 Bearing cover of the fourth axis rotary locking unit
62 Выходной фланец вращательного фиксирующего узла четвертой оси62 Output flange of the fourth axis rotary locking unit
63 Силомоментный датчик63 Force-torque sensor
64 Фланец рабочего органа64 Working element flange
65 Шаровый шарнир65 Ball joint
66 Флажковый механизм зажатия66 Flag clamping mechanism
67 Переходная площадка67 Transition platform
68 Разрезной упругий зажим68 Split elastic clamp
69 Втулка рабочего хирургического инструмента69 Bushing of working surgical instrument
70 Винт для регулировки зазора70 Gap adjustment screw
71 Крепление со сферическими маркерами71 Mount with spherical markers
72 Зажим крепления72 Fastening clamp
73 Манипуляционная ручка73 Manipulation handle
74 Переходная пластина датчика к фиксирующему манипулятору с ручным принципом перемещения74 Adapter plate for sensor to fixing manipulator with manual movement principle
75 Переходная пластина датчика к рабочему органу75 Adapter plate of the sensor to the working element
76 Игловой щуп76 Needle probe
77 Управляющий компьютер77 Control computer
78 Электронный блок перераспределения питания78 Electronic power redistribution unit
79 Блок розеток79 Socket block
80 Стойка80 Rack
81 Внешняя сеть питания81 External power supply network
82 Локальная сеть Ethernet82 Ethernet Local Area Network
83 Интерфейсные устройства83 Interface devices
84 Внешняя сеть питания84 External power supply network
85 Электронный блок преобразователь входных напряжений85 Electronic block input voltage converter
86 Электронный блок питания одноплатного компьютера86 Electronic power supply for a single-board computer
87 Внешнее управляющее устройство87 External control device
88 Одноплатный компьютер88 Single board computer
89 Динамик89 Speaker
90 Сопрягающий электронный блок индикации90 Interfacing electronic indicator unit
91 Электронные блоки индикации91 Electronic indicator units
92 Электронный блок подачи аналоговых сигналов92 Electronic unit for supplying analog signals
93 Матричный коммутатор силовых линий93 Power Line Matrix Switch
94 Электронный блок преобразователь низких напряжений94 Electronic unit low voltage converter
95 Метчик для проведения хирургических манипуляций по транспедикулярной фиксации позвоночника.95 Tap for performing surgical manipulations for transpedicular fixation of the spine.
96 Шило для проведения хирургических манипуляций по транспедикулярной фиксации позвоночника.96 Awl for performing surgical manipulations for transpedicular fixation of the spine.
97 Транспедикулярная отвертка с транспедикулярным винтом для проведения хирургических манипуляций по транспедикулярной фиксации позвоночника.97 Transpedicular screwdriver with transpedicular screw for performing surgical manipulations on transpedicular fixation of the spine.
98 Основа зажимного крепления метчика и шила, для фиксации крепления со сферическими маркерами.98 Base for clamping a tap and awl mount, for fixing the mount with spherical markers.
99 Зажим крепления метчика и шила, для фиксации крепления со сферическими маркерами.99 Tap and awl mounting clamp, for fixing the mounting with spherical markers.
100 Основа зажимного крепления транспедикулярной отвертки, для фиксации крепления со сферическими маркерами.100 Base for clamping mount of transpedicular screwdriver, for fixing mount with spherical markers.
101 Зажим крепления транспедикулярной отвертки, для фиксации крепления со сферическими маркерами.101 Pedicle screwdriver mounting clamp, for fixing the mount with spherical markers.
102 Неподвижное крепление со сферическими маркерами.102 Fixed mount with spherical markers.
103 Винты для установки фиксатора крепления со сферическими маркерами.103 Screws for installing the mounting clamp with spherical markers.
104 Гайки для установки фиксатора крепления со сферическими маркерами.104 Nuts for installing the fastening clamp with spherical markers.
105 Винт для фиксации крепления со сферическими маркерами.105 Screw for fixing the mount with spherical markers.
106 Ручка иглового щупа.106 Needle probe handle.
107 Крепление иглового щупа.107 Fastening the needle probe.
108 Зажимной винт иглового щупа.108 Needle probe clamping screw.
109 Винт для фиксации крепления со сферическими маркерами на игловом щупе.109 Screw for fixing the mount with spherical markers on the needle probe.
110 Одноразовая медицинская игла.110 Disposable medical needle.
111 Упругий зажим.111 Elastic clamp.
112 Ручки упругого зажима.112 Elastic clamp handles.
113 Специальное крепление со сферическими маркерами для упругого зажима.113 Special mount with spherical markers for elastic clamping.
114 Винты для специального крепления к упругому зажиму.114 Screws for special fastening to elastic clamp.
115 Гайки для специального крепления к упругому зажиму.115 Nuts for special fastening to elastic clamp.
116 Трапецеидальная призма для калибровки ориентации ручного хирургического инструмента.116 Trapezoidal prism for calibration of orientation of hand surgical instrument.
117 Параллелепипед с нормированными отверстиями для калибровки ориентации хирургического сверла.117 Parallelepiped with standardized holes for calibrating the orientation of a surgical drill.
118 Референсное (неподвижное) крепление со сферическими маркерами.118 Reference (fixed) mount with spherical markers.
119 Хирургическое сверло, для применения вместе с хирургической дрелью.119 Surgical drill, for use with a surgical drill.
120 Винты для фиксации калибровочной детали к референсному креплению.120 Screws for fixing the calibration part to the reference mount.
121 Гайки для фиксации калибровочной детали к референсному креплению.121 Nuts for fixing the calibration part to the reference mount.
122 Крепление со сферическими маркерами на рабочем органе.122 Fastening with spherical markers on the working element.
123 Специальное крепление со сферическими маркерами на позвонке пациента.123 Special attachment with spherical markers on the patient's vertebra.
124 Входная точка оси рабочего органа роботизированной медицинской системы124 Input point of the axis of the working element of the robotic medical system
125 Выходная точка оси рабочего органа роботизированной медицинской системы125 Output point of the axis of the working element of the robotic medical system
126 Точка входа хирургического инструмента в позвонок126 Point of entry of the surgical instrument into the vertebra
127 Целевая точка для введения траснпедикулярного винта в теле позвонка127 Target point for insertion of pedicle screw in the vertebral body
128 Нажатие на кнопку начала процесса привязки позвонка в интерфейсе управления128 Clicking the button to start the vertebra binding process in the control interface
129 Звуковой сигнал о начале процесса сбора координат точек позвонка129 Sound signal about the beginning of the process of collecting coordinates of the vertebral points
130 Перемещение кончика медицинской иглы, установленной на игловом щупе, в заранее запланированную область поверхности позвонка130 Moving the tip of a medical needle, mounted on a needle probe, to a pre-planned area of the vertebral surface
131 Проверка расстояние до предыдущей записанной точки131 Checking the distance to the previously recorded point
132 Проверка неподвижности кончика иглы в течении двух секунд132 Checking the immobility of the needle tip for two seconds
133 Звуковой сигнал об успешной записи координат текущей точки поверхности позвонка133 Sound signal about successful recording of coordinates of the current point of the vertebral surface
134 Счетчик точек и поверхностей134 Point and Surface Counter
135 Звуковой сигнал об успешной записи координат всех точек на текущей поверхности135 Sound signal about successful recording of coordinates of all points on the current surface
136 Проверка соответствия количества записанных точек запланированному136 Checking whether the number of recorded points corresponds to the planned one
137 Звуковой сигнал об успешном завершении процесса сбора координат точек поверхностей позвонка137 Sound signal about successful completion of the process of collecting coordinates of the vertebral surface points
138 Сведение положения и ориентации реального позвонка и его 3D модели138 Reconciliation of the position and orientation of a real vertebra and its 3D model
139 Проверка результатов привязки139 Checking the binding results
140 Нажатие на кнопку начала процесса привязки рабочего органа в интерфейсе управления140 Clicking on the button to start the binding process of the working element in the control interface
141 Звуковой сигнал о начале процесса привязки рабочего органа141 Sound signal about the beginning of the process of binding the working element
142 Перемещение кончика медицинской иглы, установленной на игловом щупе, в калибровочную лунку на поверхности рабочего органа142 Moving the tip of a medical needle mounted on a needle probe into a calibration well on the surface of the working element
143 Звуковой сигнал об успешной записи координат текущей точки на поверхности рабочего органа143 Sound signal about successful recording of coordinates of the current point on the surface of the working element
144 Звуковой сигнал об успешном завершении процесса сбора координат точек поверхности рабочего органа144 Sound signal about successful completion of the process of collecting coordinates of the working element surface points
145 Расчет ориентации оси рабочего органа медицинского манипуляционного робота в информационном программном обеспечении с выводом данных в интерфейс управления145 Calculation of the orientation of the axis of the working element of a medical manipulation robot in information software with data output to the control interface
146 Хирургическое беспроводное устройство146 Surgical Wireless Device
147 Лог файл с данными147 Log file with data
148 Интерфейс информационного программного обеспечения148 Information software interface
149 Поле ввода ФИО пациента149 Patient's full name input field
150 Кнопка загрузки данных сессии (если пациент есть в базе пациентов (БП)) или создания нового пациента150 Button for loading session data (if the patient is in the patient database (PD)) or creating a new patient
151 Кнопка сохранения данных активной сессии в базе пациентов (БП);151 Button for saving active session data in the patient database (PD);
152 Кнопка центрирования камеры правого вида на центре загруженного DICOM-файла152 Button to center the right view camera on the center of the loaded DICOM file
153 Путь к каталогу, содержащему DICOM-файл с изображением позвоночника153 Path to the directory containing the DICOM file with the spine image
154 Кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла позвоночника154 Edit button for the transfer function for the spine DICOM file
155 Элементы управления размерами отображаемого DICOM-файла позвоночника155 Spine DICOM file display size controls
156 Наименование первого позвонка156 Name of the first vertebra
157 Путь к STL-файлу модели первого позвонка157 Path to the STL file of the first vertebra model
158 Путь к каталогу, содержащему DICOM-файл с изображением первого позвонка158 Path to the directory containing the DICOM file with the image of the first vertebra
159 Кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла первого позвонка159 Edit button for the transfer function for the first vertebra DICOM file
160 Визуализация всех DICOM-файлов, относящихся к пациенту160 Visualization of all DICOM files related to a patient
161 Переход на предыдущую вкладку161 Go to the previous tab
162 Переход на следующую вкладку162 Go to the next tab
163 Вкладка с логами информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы163 Tab with logs of the information software of the robotic medical system
164 Вкладка подключений информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы164 Robotic Medical System Information Software Connections Tab
165 Вкладка данных пациента информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы165 Patient data tab of robotic medical system information software
166 Вкладка планирования операции информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы166 Robotic Medical System Information Software Operation Planning Tab
167 Вкладка подготовка поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы167 Tab preparation of surfaces of 3D model of vertebra for binding of information software of robotic medical system
168 Вкладка виртуальной сцены информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы168 Virtual scene tab of robotic medical system information software
169 Вкладка интраоперационной навигации информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы169 Intraoperative navigation tab of the information software of the robotic medical system
170 Комбинированный список, служащий для выбора активного позвонка170 Combo list used to select the active vertebra
171 Кнопка "Focus view" - позволяет сбросить положение камер, расположив позвонки в центре видов171 "Focus view" button - allows you to reset the position of the cameras, placing the vertebrae in the center of the views
172 DicomTF - редактор передаточной функции для трехмерной воксельной модели позвонка.172 DicomTF - transfer function editor for a 3D voxel model of a vertebra.
173 SliceTF - редактор передаточной функции для двухмерной проекции позвонка на плоскость среза173 SliceTF - transfer function editor for 2D projection of a vertebra onto a slice plane
174 SlicePosition - редактор точки центра пространственного положения плоскости среза.174 SlicePosition - editor of the center point of the spatial position of the slice plane.
175 SliceNormal - редактор вектора нормали плоскости среза.175 SliceNormal - editor of the normal vector of the slice plane.
176 Control points visible - позволяет скрывать / показывать элементы управления для точек траектории176 Control points visible - allows you to hide/show controls for path points
177 Middle point visible - позволяет скрывать / показывать элемент управления для всей средней точки траектории177 Middle point visible - allows you to hide/show the control for the entire middle point of the path
178 Show screw - позволяет скрывать / показывать 3D модель винта178 Show screw - allows you to hide / show the 3D model of the screw
179 Point in - координаты начальной точки траектории введения винта179 Point in - coordinates of the starting point of the screw insertion trajectory
180 Point target - координаты конечной точки траектории введения винта180 Point target - coordinates of the end point of the screw insertion trajectory
181 Screw position - смещение винта, относительно целевой точки первого винта181 Screw position - screw offset relative to the target point of the first screw
182 Screw position - смещение винта, относительно целевой точки второго винта182 Screw position - screw offset relative to the target point of the second screw
183 Save Plan - позволяет сохранить план183 Save Plan - allows you to save the plan
184 Окно визуализации с разрезом в фронтальной плоскости184 Visualization window with a section in the frontal plane
185 Окно визуализации в горизонтальной области проекции185 Visualization window in the horizontal projection area
186 Ползунок управления глубиной среза окна визуализации в горизонтальной области проекции186 Slider for controlling the depth of the visualization window in the horizontal projection area
187 3D модель винта187 3D model of a screw
188 Меню выбора позвонка во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения188 Vertebra selection menu in the 3D vertebra model surface preparation tab for binding the information software
189 Кнопка «Add/Rem» переключения режима добавления или удаления поверхности во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения189 The "Add/Rem" button switches the mode of adding or deleting a surface in the surface preparation tab of the 3D model of the vertebra for binding the information software
190 Панель действия для настройки цветовой индикации поверхностей во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения190 Action panel for setting up color indication of surfaces in the surface preparation tab of the 3D model of the vertebra for binding the information software
191 Кнопка «Clear surface», служащая для удаления всех отмеченных поверхностей во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения191 The "Clear surface" button, which is used to delete all marked surfaces in the 3D vertebra model surface preparation tab for binding the information software
192 Кнопка «Save», служащая для сохранения данных размеченных областей192 The "Save" button, used to save the data of the marked areas
193 3D курсор для разметки поверхностей на 3D модели позвонка во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения193 3D cursor for marking surfaces on a 3D model of a vertebra in the surface preparation tab of a 3D model of a vertebra for binding information software
194 3D модель позвонка во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения194 3D model of the vertebra in the tab of preparation of surfaces 3D model of the vertebra for binding of information software
195 Кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла позвоночника195 Edit button for the transfer function for the spine DICOM file
196 Кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла первого позвонка196 Edit button for the transfer function for the first vertebra DICOM file
197 Кнопка включения / выключения отображения первого позвонка197 First vertebra display on/off button
198 Окно отображения виртуальной сцены198 Virtual scene display window
199 Поле выбора активного позвонка199 Active vertebra selection field
200 Поле выбора активного хирургического инструмента200 Active surgical instrument selection field
201 Поле вывода информации о погрешности калибровки хирургического инструмента и расстояния от целевой точки и отклонения ориентации во время выполнения операции201 Field for outputting information about the calibration error of the surgical instrument and the distance from the target point and the orientation deviation during the operation
202 Кнопка запуска процесса регистрации активного позвонка202 Button to start the process of registering the active vertebra
203 Отметка шкалы ввода хирургического инструмента по заданной траектории, связанная с точкой входа203 Marking the scale of insertion of a surgical instrument along a given trajectory, associated with the entry point
204 Отметка шкалы ввода хирургического инструмента по заданной траектории, связанная с актуальным положением активного хирургического инструмента204 Marking the scale of insertion of a surgical instrument along a given trajectory, associated with the current position of the active surgical instrument
205 Отметка шкалы ввода хирургического инструмента по заданной траектории, связанная с целевой точкой205 Marking the scale of insertion of a surgical instrument along a given trajectory, associated with the target point
206 Графический инструмент для оценки ориентации иглового щупа относительно траектории расположения винта в активном позвонке206 Graphical tool for assessing the orientation of the needle probe relative to the trajectory of the screw location in the active vertebra
207 Графический инструмент для оценки расстояния иглового щупа от траектории расположения винта в активном позвонке207 Graphical tool for assessing the distance of the needle probe from the screw path in the active vertebra
208 Меню выбора параметров манипуляции208 Manipulation Parameter Selection Menu
209 Меню управления информационным программным модулем209 Information software module control menu
210 Данные о ходе проведения хирургической манипуляции в числовом виде210 Data on the progress of the surgical procedure in numerical form
211 Данные о ходе проведения хирургической манипуляции в графическом виде211 Data on the progress of surgical manipulation in graphical form
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Фигура 1 показывает роботизированную медицинскую систему для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике. В состав системы входит ручной фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения 1 на базе вращательных фиксирующих узлов с системой управления 4, осуществляющий двухэтапный регулируемый останов рабочего органа 2 с его фиксацией в рамках выбранного направления в соответствии со способом навигации и устанавливаемым информационным программным обеспечением для предоперационного планирования и интраоперационной навигации хирургических инструментов, включающее информационные программные модули для управления оборудованием операционной, для сбора координат точек поверхностей позвонка при помощи стереофотограмметрической системы 3 и для планирования и навигации в нейрохирургии позвоночника с показательной визуальной информацией. В показанном на фигуре 1 примере отображены взаимосвязи компонентов роботизированной медицинской системы для проведения транспедикулярной фиксации. Пациент 6, накрытый стерильной простыней, лежит на операционном столе 7, вдоль которого перемещается фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения 1. Хирург 8 работает с фиксирующим манипулятором 1. Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения 1 используется для позиционирования и ориентации рабочего органа 2, который удерживает хирургический инструмент 5. Во время операции хирург 8 вручную перемещает каждое звено фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 при помощи системы управления 4. Информационный программный модуль для анализа хода проведения хирургической манипуляции по вкручиванию транспедикулярных винтов, графически визуализирует хирургу 8 информацию о ходе хирургической операции на экране монитора. Для осуществления процесса навигации, необходимая ориентация рабочего органа 2 определяется при помощи стереофотограмметрической системы 3.Figure 1 shows a robotic medical system for performing neurosurgical operations on the spine. The system includes a manual fixing manipulator with a manual movement principle 1 based on rotary fixing units with a control system 4, implementing a two-stage adjustable stop of the working element 2 with its fixation within the selected direction in accordance with the navigation method and the installed information software for preoperative planning and intraoperative navigation of surgical instruments, including information software modules for controlling the operating room equipment, for collecting coordinates of vertebral surface points using a stereophotogrammetric system 3 and for planning and navigation in neurosurgery of the spine with indicative visual information. The example shown in Figure 1 displays the interrelations of the components of the robotic medical system for performing transpedicular fixation. Patient 6, covered with a sterile sheet, lies on the operating table 7, along which the fixing manipulator with the manual movement principle 1 moves. The surgeon 8 works with the fixing manipulator 1. The fixing manipulator with the manual movement principle 1 is used for positioning and orienting the working element 2, which holds the surgical instrument 5. During the operation, the surgeon 8 manually moves each link of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 using the control system 4. The information software module for analyzing the progress of the surgical manipulation of screwing in transpedicular screws graphically visualizes information about the progress of the surgical operation on the monitor screen for the surgeon 8. To implement the navigation process, the required orientation of the working element 2 is determined using the stereophotogrammetric system 3.
На фиг. 2 показан общий вид предлагаемого ручного фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения на базе вращательных фиксирующих узлов торможения. Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения 1 предназначен для перемещения и позиционирования рабочего органа 2 в границах своей рабочей зоны. Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения 1 применяется для позиционирования и ориентирования рабочего органа 2, направляющего хирургические инструменты 5. Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения 1 закрепляется вертикально на подвижном рельсовом основании 9 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения с помощью первого фланца 10. В первом фланце 10 имеются отверстия, через которые он может быть закреплен с помощью винтов относительно подвижного рельсового основания 9 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения. Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения 1 имеет в своем составе 4 вращательных фиксирующих узла, последовательно соединенных между собой при помощи звеньев. Конструкция фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 не содержит двигателей, а перемещается хирургом 8 вручную, что повышает безопасность работы при проведении хирургических операций на позвоночнике, исключая все возможные ошибки, связанные с автоматическим движением фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1. Конструкция фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 имеет в своем составе вращательные фиксирующие узлы, позволяющие осуществлять фиксацию звеньев в заданном положении. Конструкция фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 имеет возможность установки высоты в диапазоне от 243 мм до 338 мм над подвижным рельсовым основанием 9 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения для удобного расположения рабочего органа 2. Благодаря этому появляется возможность расположения пациента 6 с толщиной торса в диапазоне от 140 мм до 240 мм.Fig. 2 shows a general view of the proposed manual fixing manipulator with a manual movement principle based on rotary fixing braking units. The fixing manipulator with a manual movement principle 1 is intended for moving and positioning the working element 2 within the boundaries of its working area. The fixing manipulator with a manual movement principle 1 is used for positioning and orienting the working element 2 guiding the surgical instruments 5. The fixing manipulator with a manual movement principle 1 is fixed vertically on the movable rail base 9 of the fixing manipulator with a manual movement principle using the first flange 10. The first flange 10 has openings through which it can be fixed with screws relative to the movable rail base 9 of the fixing manipulator with a manual movement principle. The fixing manipulator with a manual movement principle 1 includes 4 rotary fixing units, sequentially connected to each other using links. The design of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 does not contain engines, but is moved by the surgeon 8 manually, which increases the safety of work during surgical operations on the spine, eliminating all possible errors associated with the automatic movement of the fixing manipulator with the manual movement principle 1. The design of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 has in its composition rotary fixing units that allow fixing the links in a given position. The design of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 has the ability to set the height in the range from 243 mm to 338 mm above the movable rail base 9 of the fixing manipulator with the manual movement principle for convenient placement of the working element 2. Due to this, it becomes possible to position the patient 6 with a torso thickness in the range from 140 mm to 240 mm.
Заявленный фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения 1 содержит последовательно соединенные между собой: узел первой оси (фиг. 3А), подъемный механизм (фиг. 4), звено второй оси (фиг. 5), узел второй оси (фиг. 3Б), звено третьей оси (фиг. 6), узел третьей оси (фиг. 3В), звено четвертой оси (фиг. 7), узел четвертой оси (фиг. 3Г). Заявленный фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения 1 дополнительно содержит автоматически управляемый тормоз 11, который крепится к валу 12 вращательного фиксирующего узла торможения третьей оси. Автоматически управляемый тормоз 11 крепится к плите 13 и служит для увеличения момента удержания оси.The claimed fixing manipulator with a manual movement principle 1 comprises the following connected in series: a first axis unit (Fig. 3A), a lifting mechanism (Fig. 4), a second axis link (Fig. 5), a second axis unit (Fig. 3B), a third axis link (Fig. 6), a third axis unit (Fig. 3C), a fourth axis link (Fig. 7), a fourth axis unit (Fig. 3G). The claimed fixing manipulator with a manual movement principle 1 additionally comprises an automatically controlled brake 11, which is attached to the shaft 12 of the rotary fixing braking unit of the third axis. The automatically controlled brake 11 is attached to the plate 13 and serves to increase the holding moment of the axis.
Все вращательные фиксирующие узлы (фиг. 3А-Г) заявленного фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 за исключением третьего (фиг. 3В) имеют в своем составе 2 конструктивных элемента: автоматически управляемый тормоз 14 и ручной стопорный эксцентриковый зажим. Эти элементы обеспечивают фиксацию вращательных фиксирующих узлов от: поворота подъемного механизма (фиг. 4), вращения звена второй оси (фиг. 5), вращения звена третьей оси (фиг. 6), вращения звена четвертой оси (фиг. 7) фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1. Отличительной особенностью вращательных фиксирующих узлов (фиг. 3А-Г) является наличие возможности осуществления регулируемого останова, осуществляемого последовательным применением 2ух последовательно включаемых систем, -автоматически управляемого тормоза 14 и ручного стопорного эксцентрикового зажима. В составе вращательных фиксирующих узлов роботизированной медицинской системы отсутствуют двигатели, перемещение выходного звена вращательного фиксирующего узла роботизированной медицинской системы осуществляется вручную. Тормозной момент автоматически управляемых тормозов 14 и 11 определяется потребными моментами и изменяется в процессе навигации рабочего органа 2 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1. Автоматически управляемые тормоза 14 и 11 путем изменения, подаваемого на них напряжения осуществляют торможение выходного звена вращательного фиксирующего узла роботизированной медицинской системы от ручного перемещения с величиной нагрузки по моменту торможения суммарно до 5 Н*м. После фиксации вращательного фиксирующего узла в определенном положении при помощи автоматически управляемого тормоза 14 используется эксцентриковый зажим, который осуществляет фиксацию выходного вращательного фиксирующего узла роботизированной медицинской системы с помощью ручного стопора с величиной нагрузки по моменту торможения до 150 Н*м. Ручной стопор имеет съемную механическую ручку, которая позволяет уменьшать общий габарит вращательного фиксирующего узла при ее отсоединении.All the rotary locking units (Fig. 3A-G) of the claimed locking manipulator with the manual movement principle 1, with the exception of the third one (Fig. 3B), have 2 structural elements in their composition: an automatically controlled brake 14 and a manual locking eccentric clamp. These elements ensure the fixation of the rotary locking units from: rotation of the lifting mechanism (Fig. 4), rotation of the second axis link (Fig. 5), rotation of the third axis link (Fig. 6), rotation of the fourth axis link (Fig. 7) of the locking manipulator with the manual movement principle 1. A distinctive feature of the rotary locking units (Fig. 3A-G) is the ability to implement an adjustable stop, carried out by sequentially using 2 sequentially switched on systems - the automatically controlled brake 14 and the manual locking eccentric clamp. The rotary fixing units of the robotic medical system do not include engines, the output link of the rotary fixing unit of the robotic medical system is moved manually. The braking torque of the automatically controlled brakes 14 and 11 is determined by the required moments and changes during the navigation of the working element 2 of the fixing manipulator with the manual movement principle 1. The automatically controlled brakes 14 and 11, by changing the voltage supplied to them, brake the output link of the rotary fixing unit of the robotic medical system from manual movement with a braking torque load value of up to 5 N m in total. After fixing the rotary fixing unit in a certain position using the automatically controlled brake 14, an eccentric clamp is used, which fixes the output rotary fixing unit of the robotic medical system using a manual stopper with a braking torque load value of up to 150 N m. The manual stopper has a removable mechanical handle, which allows the overall size of the rotary locking unit to be reduced when it is disconnected.
Узел первой оси (фиг. 3А) конструктивно расположен внутри конструкции, а остальные вращательные фиксирующие узлы (фиг. 3Б-Г) устанавливаются непосредственно в ответные пластины.The first axis unit (Fig. 3A) is structurally located inside the structure, and the remaining rotational locking units (Fig. 3B-G) are installed directly into the mating plates.
На фиг. 3 (А-Г) показаны общие виды всех предлагаемых вращательных фиксирующих узлов. Вращательные фиксирующие узлы имеют конструкцию, состоящую из корпусного элемента 15, к которому по радиальной поверхности прикрепляется автоматически управляемый тормоз 14 с единым валом 12, проходящим через весь корпус 15. Часть корпуса, через которую проходит единый вал 12, представляет собой клеммовое соединение с возможностью его зажатия при помощи эксцентрикового зажима, который состоит из: регулировочной гайки 16, проушины эксцентрика 17, эксцентрика 18. Проушина эксцентрика 17 устанавливается в отверстие на корпусе на нее в свою очередь крепится эксцентрик 18, использование регулировочной гайки 16 позволяет обеспечить тонкую подстройку усилия зажатия клеммового соединения, которое зависит от величины сил, воздействующих на конкретный узел при работе. К эксцентрику 18 прикреплена поворотная рукоятка эксцентрика 19, поворотом которой осуществляется зажим клеммового соединения. Крепление поворотной рукоятки эксцентрика 19 осуществляется при помощи переходника 20, который одновременно с этим выступает в роли фиксатора стерильного чехла фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 21. Дополнительно, переходник 20 снабжен шариковым запирающим механизмом на подпружиненной муфте, состоящем из непосредственно запирающего элемента 22, муфты 23, пружины 24 и набора металлических шариков 25, которые обеспечивают возможность быстросъемного крепления поворотная рукоятки эксцентрика 19. Поворотная рукоятка эксцентрика 19 и запирающий механизм на подпружиненной муфте выполняются из нержавеющий стали, для обеспечения возможности ее автоклавирования, и служат для зажатия эксцентриковых зажимов всех вращательных фиксирующих узлов в стерильных условиях. Также в узел устанавливаются конические упорные подшипники 26, обеспечивающие жесткость вращательного фиксирующего узла, и обеспечивающие разгрузку вращательного фиксирующего узла от всех сил, кроме вращательного момента. Подшипники 26 фиксируются при помощи крышки вращательного фиксирующего узла, которая также выступает в роли монтажного фланца. На выходную поверхность общего вала 12 устанавливается выходной фланец, который используется для крепления последующих звеньев или рабочего органа 2.Fig. 3 (A-G) shows general views of all the proposed rotary locking units. The rotary locking units have a design consisting of a housing element 15, to which an automatically controlled brake 14 with a single shaft 12 passing through the entire housing 15 is attached along a radial surface. The part of the housing through which the single shaft 12 passes is a terminal connection with the possibility of clamping it using an eccentric clamp, which consists of: an adjusting nut 16, an eccentric eye 17, an eccentric 18. The eccentric eye 17 is installed in an opening on the housing, and the eccentric 18 is in turn attached to it; the use of the adjusting nut 16 allows for fine adjustment of the clamping force of the terminal connection, which depends on the magnitude of the forces acting on a specific unit during operation. A rotary eccentric handle 19 is attached to the eccentric 18, the rotation of which clamps the terminal connection. The rotary handle of the eccentric 19 is fastened using the adapter 20, which simultaneously acts as a retainer for the sterile cover of the fixing manipulator with a manual movement principle 21. Additionally, the adapter 20 is equipped with a ball locking mechanism on a spring-loaded clutch, consisting of a direct locking element 22, a clutch 23, a spring 24 and a set of metal balls 25, which provide the possibility of quickly detachable fastening of the rotary handle of the eccentric 19. The rotary handle of the eccentric 19 and the locking mechanism on the spring-loaded clutch are made of stainless steel, to ensure the possibility of its autoclaving, and serve to clamp the eccentric clamps of all rotary fixing units in sterile conditions. Conical thrust bearings 26 are also installed in the unit, providing rigidity of the rotary fixing unit, and providing unloading of the rotary fixing unit from all forces, except for the torque. Bearings 26 are fixed using a cover of the rotary fixing unit, which also acts as a mounting flange. An output flange is installed on the output surface of the common shaft 12, which is used to fasten subsequent links or the working element 2.
На фиг. 4 представлен общий вид конструкции подъемного механизма и оси первого звена. Первый фланец 10, соединенный с вращательным фиксирующим узлом первой оси через переходной фланец 27 и цилиндрическую деталь с окном 28, имеет цилиндрическую форму с монтажными отверстиями для его закрепления на подвижном рельсовом подвижном рельсовом основании 9 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения. В заявленном фиксирующем манипуляторе с ручным принципом перемещения 1 узел первой оси является наиболее нагруженным и снабжен дополнительным упорным шариковым подшипником 29 между крышкой подшипников вращательного фиксирующего узла первой оси 30 и корпусом подъемного механизма 31. Цилиндрическая деталь с окном 28 представляет собой короткий цилиндр с выбранным сектором в верхней части, на который опирается крышка 30, причем ось крышки 30 совпадает с осью цилиндрической детали с окном 28. Все детали, описанные выше, выполнены из металла, преимущественно из алюминиевого сплава.Fig. 4 shows a general view of the design of the lifting mechanism and the axis of the first link. The first flange 10, connected to the rotary locking unit of the first axis through the adapter flange 27 and the cylindrical part with a window 28, has a cylindrical shape with mounting holes for securing it on the movable rail base 9 of the locking manipulator with a manual movement principle. In the claimed locking manipulator with a manual movement principle 1, the first axis unit is the most loaded and is provided with an additional thrust ball bearing 29 between the bearing cover of the rotary locking unit of the first axis 30 and the housing of the lifting mechanism 31. The cylindrical part with a window 28 is a short cylinder with a selected sector in the upper part, on which the cover 30 rests, wherein the axis of the cover 30 coincides with the axis of the cylindrical part with a window 28. All the parts described above are made of metal, primarily of an aluminum alloy.
Подъемный механизм служит для адаптации высоты фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 к габаритным параметрам пациента 6 и закрепляется на выходном фланце вращательного фиксирующего узла первой оси 32. Корпус подъемного механизма 31 представляет из себя полый цилиндр с отверстиями, закрывающийся крышкой 33. Внутри корпуса подъемного механизма 31 установлен ходовой винт с трапецеидальной резьбой 34 и не менее двух цилиндрических направляющих 35, вдоль которых перемещается ходовая платформа 36. Крепление направляющих 35 к корпусу 31 реализовано при помощи неподвижных опор 37, ходовой винт 34 в свою очередь крепится при помощи опор с подшипниками 38 для обеспечения возможности свободного вращения вокруг своей оси. Ходовая платформа 36 представляет собой плиту, на которой жестко закреплены трапецеидальная гайка 39 и две шариковые втулки с фланцем 40, необходимые для свободного перемещения ходовой платформы 36 в вертикальной плоскости и обеспечивающие жесткость конструкции подъемного механизма в других плоскостях. Перемещение ходовой платформы 36 происходит за счет вращения маховика 41, к которому для удобства эксплуатации добавлена ручка 42. Ходовая платформа 36 имеет посадочное место для крепления нижнего элемента ходового цилиндра 43, к которому в свою очередь прикрепляется верхний элемент ходового цилиндра 44, эти элементы служат для последующего крепления звена второй оси (фиг. 5), а также для обеспечения фиксации фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения на необходимой для проведения хирургических манипуляций высоте при помощи стопорного винта 45.The lifting mechanism serves to adapt the height of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 to the overall parameters of the patient 6 and is fixed on the output flange of the rotary fixing unit of the first axis 32. The housing of the lifting mechanism 31 is a hollow cylinder with holes, closed by a cover 33. Inside the housing of the lifting mechanism 31, a lead screw with a trapezoidal thread 34 and at least two cylindrical guides 35 are installed, along which the running platform 36 moves. The fastening of the guides 35 to the housing 31 is implemented using fixed supports 37, the lead screw 34 in turn is fixed using supports with bearings 38 to ensure the possibility of free rotation around its axis. The running platform 36 is a plate on which a trapezoidal nut 39 and two ball bushings with a flange 40 are rigidly fixed, which are necessary for the free movement of the running platform 36 in the vertical plane and provide rigidity of the lifting mechanism structure in other planes. The movement of the running platform 36 occurs due to the rotation of the flywheel 41, to which a handle 42 is added for ease of use. The running platform 36 has a seat for fastening the lower element of the running cylinder 43, to which, in turn, the upper element of the running cylinder 44 is attached, these elements serve for the subsequent fastening of the link of the second axis (Fig. 5), as well as for ensuring the fixation of the locking manipulator with a manual movement principle at the height necessary for performing surgical manipulations using a locking screw 45.
На фиг. 5 представлен общий вид конструкции звена второй оси. Звено второй оси конструктивно включает в себя корпусной элемент 46, который закрепляется на верхнем элементе ходового цилиндра 44 при помощи винтов и угловых ребер 47 для повышения жесткости конструкции, и его крышки 48. Крышка 48 устанавливается на корпусной элемент сверху и позволяет обеспечить большую жесткость конструкции звена второй оси (фиг. 5), а также закрыть полость, использующуюся для монтажа проводов вращательных фиксирующих узлов. Корпусной элемент 46 и крышка 48 имеют посадочные гнездо для крепления вращательного фиксирующего узла второй оси (фиг. 3Б) при помощи крышки 49. Все детали звена второй оси выполняются из металла, преимущественно из алюминиевого сплава, ребра жесткости 47 могут быть выполнены из материалов с более высокими параметрами жесткости.Fig. 5 shows a general view of the design of the second axle link. The second axle link structurally includes a housing element 46, which is secured to the upper element of the running cylinder 44 using screws and corner ribs 47 to increase the rigidity of the structure, and its cover 48. Cover 48 is installed on the housing element from above and allows for greater rigidity of the second axle link design (Fig. 5), as well as for closing the cavity used for mounting the wires of the rotary locking units. Housing element 46 and cover 48 have a mounting socket for fastening the rotary locking unit of the second axle (Fig. 3B) using cover 49. All parts of the second axle link are made of metal, primarily of an aluminum alloy, stiffening ribs 47 can be made of materials with higher rigidity parameters.
На фиг. 6 представлен общий вид конструкции звена третьей оси. Звено третьей оси конструктивно включает в себя плиту 50, которая закрепляется на выходном фланце вращательного фиксирующего узла второй оси 51 при помощи винтов, и корпус 52, который служит задачи повышения жесткости конструкции и обеспечивает полость для внутреннего монтажа проводов вращательных фиксирующих узлов для торможения. На плиту 50 перпендикулярного к ее поверхности закреплены крепежная пластина 53 для установки вращательного фиксирующего узла и крепежная пластина 54 для установки автоматически управляемого тормоза 11. Узел третьей оси (фиг. 3В) установлен в посадочное гнездо крепежной пластины 53 с фиксацией по крышке 55 и присоединен к автоматически управляемому тормозу 11 при помощи вспомогательного вала 56. Крепление общего вала 12 и вспомогательного вала 56 осуществляется при помощи винтов по радиальной поверхности. В свою очередь автоматически управляемый тормоз 11 жестко закреплен на крепежной пластине 54. Все детали звена второй оси выполняются из металла, преимущественно из алюминиевого сплава.Fig. 6 shows a general view of the design of the third axle link. The third axle link structurally includes a plate 50, which is secured to the output flange of the rotary locking unit of the second axle 51 using screws, and a housing 52, which serves the task of increasing the rigidity of the structure and provides a cavity for internal installation of wires of the rotary locking units for braking. A fastening plate 53 for installing the rotary locking unit and a fastening plate 54 for installing the automatically controlled brake 11 are fixed to the plate 50 perpendicular to its surface. The third axle unit (Fig. 3B) is installed in the mounting socket of the fastening plate 53 with fixation along the cover 55 and is connected to the automatically controlled brake 11 using the auxiliary shaft 56. The common shaft 12 and the auxiliary shaft 56 are fastened using screws along the radial surface. In turn, the automatically controlled brake 11 is rigidly fixed to the mounting plate 54. All parts of the second axle link are made of metal, mainly of aluminum alloy.
На фиг. 7 представлен общий вид конструкции звена четвертой оси. Звено четвертой оси конструктивно включает в себя плиту 57, которая закрепляется на выходном фланце вращательного фиксирующего узла третьей оси 58 при помощи винтов, лицевую крепежную пластину 59 и торцевую крепежную пластину 60, закрепленные перпендикулярно к плоскости плиты 57. Узел четвертой оси (фиг. 3Г) крепится между пластин 59 и 60 за крышку 61 для повышения способности противодействия изгибным нагрузкам, возникающим при работе с фиксирующем манипулятором 1 с ручным принципом перемещения. Выходной фланец вращательного фиксирующего узла 62 для торможения имеет монтажные отверстия для закрепления рабочего органа (фиг. 8) непосредственно напрямую или через силомоментный датчик 63.Fig. 7 shows a general view of the design of the fourth axis link. The fourth axis link structurally includes a plate 57, which is secured to the output flange of the rotary locking unit of the third axis 58 using screws, a front fastening plate 59 and an end fastening plate 60, secured perpendicularly to the plane of the plate 57. The fourth axis unit (Fig. 3G) is secured between plates 59 and 60 by cover 61 to increase the ability to withstand bending loads that occur when working with the locking manipulator 1 with a manual movement principle. The output flange of the rotary locking unit 62 for braking has mounting holes for securing the working element (Fig. 8) directly or through a force-torque sensor 63.
На фигуре 8 показан общий вид конструкции рабочего органа 2 роботизированной медицинской системы с разрезным упругим зажимом 68. Рабочий орган 2 предназначен для навигации и позиционирования хирургического инструмента 5. Рабочий орган 2 соединяется с фиксирующем манипулятором с ручным принципом перемещения при помощи фланца 64, который неподвижно закреплен на шаровом шарнире 65. Шаровой шарнир 65 используется для обеспечения свободного вращения в двух плоскостях одновременно, предотвращая перемещение в любом направлении, таким образом можно обеспечить высокоточную подстройку угла введения хирургического инструмента 5. Фиксация шарового шарнира 65 происходит благодаря зажатию клеммного зажима на корпусе при помощи флажкового механизма 66. К выходной площадке шарового шарнира через чехол 21 прикрепляется переходная площадка 67 из нержавеющей стали, которая проходит предоперационное автоклавирование. К переходной площадке 67 при помощи винтов крепится разрезной упругий зажим 68, который используется в качестве направляющей с возможностью осуществлять зажатие втулок 69, установленных на применяемых в роботизированной медицинской системе хирургических инструментах 5. Снижение люфта втулки 69 рабочего хирургического инструмента 5 относительно разрезного упругого зажима 68 достигается выборкой радиального зазора при помощи двух регулировочных винтов 70. Дополнительно разрезной упругий зажим 68 снабжен отверстиями для установки крепления со сферическими маркерами 71 посредством зажима 72. Зажим 72 состоит из тисков штифта со сквозным отверстием и установочного винта. Одновременно на разрезном упругом зажиме можно разместить до 3-х креплений 71 в 5 местах. Также на поверхности разрезного упругого зажима 68 находятся 7 базирующих отверстий в форме конуса, позволяющих осуществлять привязку математической оси для направления хода хирургических инструментов 5 рабочего органа 2 к ее действительному местоположению в пространстве рабочей зоны фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 при помощи иглового щупа 76. Дополнительно, поверхность разрезного упругого зажима 68 снабжена 4 резьбовыми отверстиями для установки манипуляционной ручки 73 в удобном хирургу 8 положении для перемещения звеньев ручного фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1.Figure 8 shows a general view of the design of the working element 2 of the robotic medical system with a split elastic clamp 68. The working element 2 is intended for navigation and positioning of the surgical instrument 5. The working element 2 is connected to the fixing manipulator with a manual movement principle using a flange 64, which is fixedly attached to the ball joint 65. The ball joint 65 is used to ensure free rotation in two planes simultaneously, preventing movement in any direction, thus it is possible to ensure high-precision adjustment of the insertion angle of the surgical instrument 5. The fixation of the ball joint 65 occurs due to the clamping of the clamp on the body using the flag mechanism 66. A transition platform 67 made of stainless steel, which undergoes preoperative autoclaving, is attached to the output platform of the ball joint through a cover 21. A split elastic clamp 68 is attached to the transition platform 67 by means of screws, which is used as a guide with the possibility of clamping the bushings 69 installed on the surgical instruments 5 used in the robotic medical system. The play of the bushing 69 of the working surgical instrument 5 relative to the split elastic clamp 68 is reduced by selecting a radial clearance by means of two adjusting screws 70. Additionally, the split elastic clamp 68 is provided with holes for installing a fastener with spherical markers 71 by means of a clamp 72. The clamp 72 consists of a pin vice with a through hole and a set screw. Up to 3 fasteners 71 can be placed on the split elastic clamp at the same time in 5 places. Also on the surface of the split elastic clamp 68 there are 7 basing holes in the form of a cone, allowing to bind the mathematical axis for guiding the movement of the surgical instruments 5 of the working element 2 to its actual location in the space of the working zone of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 using the needle probe 76. Additionally, the surface of the split elastic clamp 68 is provided with 4 threaded holes for installing the manipulation handle 73 in a position convenient for the surgeon 8 for moving the links of the manual fixing manipulator with the manual movement principle 1.
На фигуре 9 показан общий вид конструкции рабочего органа 2 роботизированной медицинской системы с встроенным бтикомпонентным силомоментным датчиком 63. Данная модификация конструкции рабочего органа 2 позволяет измерять силы и моменты, возникающие от взаимодействия хирургических инструментов 5 с тканями пациента в процессе проведения нейрохирургического вмешательства, с возможностью последующего предоставления этой информации хирургу для интраоперационного анализа. В случае использования данной модификации, крепление к выходному фланцу четвертой оси осуществляется с использованием пластины 74 к которой прикрепляется один из торцов датчика, второй торец датчика прикрепляется к пластине 75, которая затем крепится к шаровому шарниру 65.Figure 9 shows a general view of the design of the working element 2 of the robotic medical system with a built-in bicomponent force-torque sensor 63. This modification of the design of the working element 2 allows measuring forces and moments arising from the interaction of surgical instruments 5 with the patient's tissues during neurosurgical intervention, with the possibility of subsequently providing this information to the surgeon for intraoperative analysis. In the case of using this modification, fastening to the output flange of the fourth axis is carried out using plate 74 to which one of the ends of the sensor is attached, the second end of the sensor is attached to plate 75, which is then attached to ball joint 65.
На фиг. 10 представлен внешний вид стойки системы управления роботизированной медицинской системой на базе элемента перераспределения питания между автоматически управляемыми тормозами. Стойка 80 представляет собой конструкцию с креплениями типоразмера 19 дюймов, для установки в нее электронных блоков системы управления. В ней располагаются управляющий компьютер 77 с информационным программным обеспечением, электронный блок перераспределения питания между автоматически управляемыми тормозами 78 и блок розеток 79 для подключения всех электронных блоков к внешней сети питания. Движение ручного фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 осуществляется вручную с использованием электронного блока перераспределения питания 78, позволяющего переключать питание между автоматически управляемыми тормозами 14 вращательных фиксирующих узлов.Fig. 10 shows the external appearance of the rack of the control system of the robotic medical system based on the element of redistribution of power between automatically controlled brakes. The rack 80 is a structure with fasteners of the 19-inch size, for installation in it of the electronic units of the control system. It contains the control computer 77 with information software, the electronic unit of redistribution of power between automatically controlled brakes 78 and the socket unit 79 for connection of all electronic units to the external power network. The movement of the manual fixing manipulator with the manual principle of movement 1 is carried out manually using the electronic unit of redistribution of power 78, allowing switching of power between the automatically controlled brakes 14 of the rotary fixing units.
Структурная схема системы управления представлена на фиг. 11. Система управления включает в себя главный управляющий компьютер 77, электронный блок перераспределения питания 78 и блок розеток 79. Управляющий компьютер 77 сопряжен проводом питания с блоком розеток 79 и электронным блоком перераспределения питания 78 посредством шины данных. К главному управляющему компьютеру 77 также могут быть подключены интерфейсные устройства 83, позволяющие оператору взаимодействовать с информационным программным обеспечением, и, посредством доступа через локальную сеть ethernet, к нему могут быть подключенные дополнительные периферийные информационные устройства такие как стереокамера 3. Задачей главного управляющего компьютера 77 является обеспечение работы специализированного информационного программного обеспечения отвечающего за сбор данных со всех подключенных к нему устройств, обработку входящих данных от устройств, и передачу управляющих команд в электронный блок распределения питания 78. Электронный блок распределения питания 78 сопряжен с блоком розеток 79 посредством провода питания, главным управляющим компьютером 77 посредством шины данных и фиксирующим манипулятором с ручным принципом перемещения 1 посредством проводов подключения. Задачей электронного блока распределения питания 78 является подача аналоговых управляющих сигналов на автоматически управляемые тормоза 14 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1, управление электронными блоками индикации 91 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 и звуковая индикация. Данные задачи отрабатываются в соответствии с управляющими командами, приходящими по шине данных от главного управляющего компьютера 77.The structural diagram of the control system is shown in Fig. 11. The control system includes a main control computer 77, an electronic power redistribution unit 78 and a socket block 79. The control computer 77 is connected by a power cable to the socket block 79 and the electronic power redistribution unit 78 via a data bus. Interface devices 83, allowing the operator to interact with the information software, can also be connected to the main control computer 77, and additional peripheral information devices such as the stereo camera 3 can be connected to it via access via the local Ethernet network. The task of the main control computer 77 is to ensure the operation of specialized information software responsible for collecting data from all devices connected to it, processing incoming data from the devices, and transmitting control commands to the electronic power distribution unit 78. The electronic power distribution unit 78 is connected to the socket unit 79 via a power cable, the main control computer 77 via a data bus, and the fixing manipulator with a manual movement principle 1 via connection wires. The task of the electronic power distribution unit 78 is to supply analog control signals to the automatically controlled brakes 14 of the fixing manipulator with the manual movement principle 1, control of the electronic indication units 91 of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 and sound indication. These tasks are processed in accordance with the control commands coming via the data bus from the main control computer 77.
Структурная схема электронного блока перераспределения питания представлена на фиг 12. Электронный блок перераспределения питания 78 включает в себя электронный блок преобразователь входных напряжений 85, электронный блок преобразователь низких напряжений 94, электронный блок питания одноплатного компьютера 86, одноплатный компьютер 88, динамик 89, матричный коммутатор силовых линий 93, электронный блок подачи аналоговых сигналов 92, сопрягающий электронный блок индикации 90. Электронный блок преобразователь входных напряжений 85 сопряжен посредством проводов с: внешней сетью питания 84 при помощи блока розеток 79 системы управления; электронным блоком питания одноплатного компьютера 86; электронным блоком преобразования низких напряжения 94; электронным блоком подач аналоговых сигналов 92. Задачей преобразователя входных напряжения 85 является преобразование входного переменного напряжения от внешней сети питания 81 в фиксированное постоянное напряжение для обеспечения питания всех подключенных к электронному блоку 85 устройств. Электронный блок преобразователь низких напряжений 94 сопряжен с электронным блоком преобразователей входных напряжений 85 и матричным коммутатором силовых линий 93. Задачей электронного блока преобразования низких напряжений 94 является понижение постоянного напряжения от электронного блока преобразователя входных напряжений 85 с целью обеспечения бесперебойного питания для матричного коммутатора 93. Электронный блок питания одноплатного компьютера 86 сопряжен с электронным блоком преобразователей входных напряжений 85 и одноплатным компьютером 88. Задачей электронного блока питания одноплатного компьютера 86 является преобразование постоянного напряжения от электронного блока преобразователя входных напряжений 85 с целью обеспечения бесперебойного питания и защиты от пульсаций и выбросов напряжения для одноплатного компьютера 88. Одноплатный компьютер 88 сопряжен с внешним управляющим устройством 87 в виде: главного управляющего компьютера 77; матричного коммутатора силовых линий 93; электронного блока подачи аналоговых сигналов 92; сопрягающего электронного блока индикации 90 и динамика 89. Задачей одноплатного компьютера 88 является прием управляющих команд от внешнего управляющего устройства 87 и, в соответствии с полученными командами, формирование ответных сообщений, формирование управляющих сигналов для автоматически управляемых тормозов 14 и осуществление индикации посредством звуковых сигналов или цветовых сигналов на электронных блоках индикации 91 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения. Формирование управляющих сигналов для автоматически управляемого тормоза 14 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 происходит путем одновременно управления матричным коммутатором 93 и электронным блоком подачи аналоговых сигналов 92. Индикация звуковыми сигналами осуществляется путем использования динамика 89. Визуальная индикация осуществляется путем отправки управляющих команд на сопрягающий электронный блок индикации 90. Сопрягающий электронный блок индикации 90 сопряжен с одноплатным компьютером 88 и семью электронными блоками индикации 91. Его задачей является подача управляющих сигналов на электронные блоки индикации 91 в соответствии с управляющими командами, приходящими от одноплатного компьютера 88. Матричный коммутатор силовых линий 93 сопряжен с одноплатным компьютером 88, электронным блоком преобразователем низких напряжений 94, электронным блоком подачи аналоговых сигналов 92 и пятью автоматически управляемыми тормозами 14 (четыре - обозначены цифрой 14, один - обозначен цифрой 11). Его задачей является в соответствии с командами от одноплатного компьютера 88 осуществить коммутацию обмоток выбранного автоматически управляемого тормоза 14 и электронного блока подачи аналоговых сигналов 92. Сам коммутатор гальванически развязан от силовых линий, тем самым обеспечивается защита управляющих элементов электронного блока перераспределения питания 78. Электронный блок подачи аналоговых сигналов 92 сопряжен с одноплатным компьютером 88, электронным блоком преобразователем входных напряжений 85 и матричным коммутатором силовых линий 93. Задачей данного электронного блока 92 является подача управляющих аналоговых сигналов на подключенный посредством матричного коммутатора 93 автоматически управляемый тормоз 14. Формирование данных напряжений осуществляется путем преобразования постоянного напряжения получаемого от электронного блока преобразователя входных напряжений 85 посредством встроенного Н-моста и широтно-импульсного регулятора электронного блока. Диапазон формируемых напряжений может варьироваться от 30 до -30 В. Задание требуемого напряжения осуществляется в соответствии с управляющими командами, приходящими от одноплатного компьютера 88.The structural diagram of the electronic power redistribution unit is shown in Fig. 12. The electronic power redistribution unit 78 includes an electronic input voltage converter unit 85, an electronic low voltage converter unit 94, an electronic power supply unit of a single-board computer 86, a single-board computer 88, a speaker 89, a matrix switch of power lines 93, an electronic unit for feeding analog signals 92, a coupling electronic indicator unit 90. The electronic input voltage converter unit 85 is coupled by means of wires with: an external power supply network 84 using a block of sockets 79 of the control system; an electronic power supply unit of a single-board computer 86; an electronic low voltage converter unit 94; an electronic unit for feeding analog signals 92. The task of the input voltage converter 85 is to convert the input alternating voltage from the external power supply network 81 into a fixed direct voltage to provide power to all devices connected to the electronic unit 85. The low voltage converter electronic unit 94 is interfaced with the input voltage converter electronic unit 85 and the power line matrix switch 93. The task of the low voltage converter electronic unit 94 is to reduce the direct voltage from the input voltage converter electronic unit 85 in order to provide uninterruptible power supply for the matrix switch 93. The single-board computer electronic power supply unit 86 is interfaced with the input voltage converter electronic unit 85 and the single-board computer 88. The task of the single-board computer electronic power supply unit 86 is to convert the direct voltage from the input voltage converter electronic unit 85 in order to provide uninterruptible power supply and protection against voltage pulsations and surges for the single-board computer 88. The single-board computer 88 is interfaced with the external control device 87 in the form of: the main control computer 77; the power line matrix switch 93; the electronic analog signal supply unit 92; the coupling electronic indicator unit 90 and the speaker 89. The task of the single-board computer 88 is to receive control commands from the external control device 87 and, in accordance with the received commands, to generate response messages, to generate control signals for the automatically controlled brakes 14 and to carry out indication by means of sound signals or color signals on the electronic indicator units 91 of the fixing manipulator with a manual movement principle. The control signals for the automatically controlled brake 14 of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 are generated by simultaneously controlling the matrix switch 93 and the electronic unit for supplying analog signals 92. Indication by sound signals is carried out by using the speaker 89. Visual indication is carried out by sending control commands to the interface electronic indication unit 90. The interface electronic indication unit 90 is interfaced with the single-board computer 88 and seven electronic indication units 91. Its task is to supply control signals to the electronic indication units 91 in accordance with the control commands coming from the single-board computer 88. The matrix switch of power lines 93 is interfaced with the single-board computer 88, the electronic unit of low voltage converter 94, the electronic unit for supplying analog signals 92 and five automatically controlled brakes 14 (four are designated by the number 14, one is designated by the number 11). Its task is, in accordance with commands from the single-board computer 88, to switch the windings of the selected automatically controlled brake 14 and the electronic unit for supplying analog signals 92. The switch itself is galvanically isolated from the power lines, thereby ensuring protection of the control elements of the electronic power redistribution unit 78. The electronic unit for supplying analog signals 92 is interfaced with the single-board computer 88, the electronic unit of the input voltage converter 85 and the matrix switch of the power lines 93. The task of this electronic unit 92 is to supply control analog signals to the automatically controlled brake 14 connected via the matrix switch 93. The formation of these voltages is carried out by converting the direct voltage received from the electronic unit of the input voltage converter 85 by means of the built-in H-bridge and the pulse-width regulator of the electronic unit. The range of the generated voltages can vary from 30 to -30 V. The setting of the required voltage is carried out in accordance with the control commands coming from the single-board computer 88.
Таким образом, посредством электронного блока перераспределения питания 78 становится возможным подача управляющих сигналов в виде напряжений питания на один автоматически управляемый тормоз 14 одновременно. В рамках системы управления становится возможным управление элементами фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 в соответствии с командами, приходящими от хирурга 8 и данными, получаемыми от дополнительных периферийных информационных устройств, таких как стереокамера 3 с дополнительной возможностью звуковой или световой индикации. Возможность подачи напряжений питания только на один автоматически управляемый тормоз 14 создает ограничение на изменение обобщенных координат только одной степени подвижности фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 одновременно.Thus, by means of the electronic power redistribution unit 78, it becomes possible to supply control signals in the form of supply voltages to one automatically controlled brake 14 at a time. Within the framework of the control system, it becomes possible to control the elements of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 in accordance with the commands coming from the surgeon 8 and the data received from additional peripheral information devices, such as the stereo camera 3 with the additional possibility of sound or light indication. The possibility of supplying supply voltages only to one automatically controlled brake 14 creates a limitation on changing the generalized coordinates of only one degree of mobility of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 at a time.
Набор хирургических инструментов 5 с интегрированными сферическими маркерами представлен на фигуре 13. Набор хирургических инструментов 5 состоит из хирургического метчика 95, хирургического шила 96 и транспедикулярной отвертки 97. Для неподвижных креплений со сферическими маркерами 102 к перечисленным хирургическим инструментам применяется два набора фиксаторов, основанных на зажимной функции и отличающиеся по диаметру зажимаемого хирургического инструмента. Фиксатор состоит из детали основы 98 (для метчика 95 и шила 96) и 100 (для транспедикулярной отвертки 97), и детали зажима 99 (для метчика 95 и шила 96) и 101 (для транспедикулярной отвертки 97). Сборка частей фиксатора между собой происходит посредством винтов 103 и гаек 105. Удержание крепеления со сферическими маркерами 102 происходит посредством винта 105. Основа и зажим фиксатора, а также крепления для сферических маркеров, производятся аддитивным методом из биоинертной и автоклавируемой пластмассы. Элементы крепежа из нержавеющей стали. Хирургические инструменты 5 устанавливаются в хирургическое беспроводное устройство 146, позволяющее осуществлять сбор интраоперационных данных о силах и моментах, возникающих при взаимодействии хирургических инструментов 5 с оперируемыми тканями позвоночника.A set of surgical instruments 5 with integrated spherical markers is shown in Figure 13. The set of surgical instruments 5 consists of a surgical tap 95, a surgical awl 96 and a transpedicular screwdriver 97. For fixed fastenings with spherical markers 102, two sets of retainers are used for the listed surgical instruments, based on the clamping function and differing in the diameter of the clamped surgical instrument. The retainer consists of a base part 98 (for the tap 95 and the awl 96) and 100 (for the transpedicular screwdriver 97), and a clamp part 99 (for the tap 95 and the awl 96) and 101 (for the transpedicular screwdriver 97). The assembly of the parts of the retainer is carried out by means of screws 103 and nuts 105. The fastening with spherical markers 102 is held by means of screw 105. The base and clamp of the retainer, as well as the fastenings for the spherical markers, are produced by an additive method from bioinert and autoclavable plastic. The fastening elements are made of stainless steel. Surgical instruments 5 are installed in surgical wireless device 146, allowing the collection of intraoperative data on the forces and moments arising during the interaction of surgical instruments 5 with the operated tissues of the spine.
Конструкция иглового щупа с интегрированными сферическими маркерами показана на фигуре 14. Данное устройство предназначено для измерения координат точек поверхностей позвонка пациента или определения оси рабочего органа 2 роботизированной медицинской системы и позволяет осуществлять привязку 3D модели позвонка 194 к его фактическому положению. Основой устройства служит полая эргономичная ручка 106, с одной стороны, имеющая специальный паз, подходящий для установки крепления со сферическими маркерами 102, посредством винта 109, а с другой паз для вставки крепления 107 для удержания одноразовой медицинской иглы 110. Фиксация крепления и медицинской иглы 110 в ручке осуществляется винтом с накатной головкой 108. Ручка 106 и крепление 107 иглового щупа производятся аддитивным методом из биоинертной и автоклавируемой пластмассы. Элементы крепежа из нержавеющей стали.The design of the needle probe with integrated spherical markers is shown in Figure 14. This device is intended for measuring the coordinates of the points of the patient's vertebra surfaces or determining the axis of the working element 2 of the robotic medical system and allows for binding the 3D model of the vertebra 194 to its actual position. The basis of the device is a hollow ergonomic handle 106, on one side having a special groove suitable for installing a fastener with spherical markers 102, by means of a screw 109, and on the other side a groove for inserting a fastener 107 for holding a disposable medical needle 110. The fastener and the medical needle 110 are fixed in the handle by a screw with a knurled head 108. The handle 106 and the fastener 107 of the needle probe are produced by an additive method from bioinert and autoclavable plastic. The fastener elements are made of stainless steel.
Конструкция упругого зажима с интегрированными сферическими маркерами представлено на фигуре 15. Данное изделие необходимо для крепления к остистому отростку позвонка пациента, для улучшения качества навигации хирургических инструментов 5, за счет компенсации относительных перемещений позвонка при проведении хирургических манипуляций и позволяет осуществлять привязку 3D модели позвонка 194 к его фактическому положению. Основой изделия служит упругий зажим 111 из листовой нержавеющей стали, для жесткого крепления к остистому отростку, на нем вырезаны последовательные острые зубцы, сам принцип основывается на упругих свойствах металла, из которого произведен зажим. Для раскрытия губок зажима в устройстве предусмотрены ручки 112 из нержавеющей стали. К зажиму, посредством винтов 114 и гаек 115 фиксируется специальное крепление со сферическими маркерами 113.The design of the elastic clamp with integrated spherical markers is shown in Figure 15. This product is necessary for fastening to the spinous process of the patient's vertebra, to improve the quality of navigation of surgical instruments 5, due to compensation of relative movements of the vertebra during surgical manipulations and allows to bind the 3D model of the vertebra 194 to its actual position. The basis of the product is the elastic clamp 111 made of sheet stainless steel, for rigid fastening to the spinous process, on it are cut successive sharp teeth, the principle itself is based on the elastic properties of the metal from which the clamp is made. To open the jaws of the clamp, the device provides handles 112 made of stainless steel. A special fastening with spherical markers 113 is fixed to the clamp by means of screws 114 and nuts 115.
Детали для калибровки ориентации хирургических инструментов и способ их применения показаны на фигуре 16. Особенность деталей заключается в наличие параллелепипеда с нормированными отверстиями 117 под нейрохирургическое сверло 119 и трапецеидальной призмы 116 под нейрохирургическое шило 96, транспедикулярный метчик 95 и транспедикулярную отвертку 97 с винтом для калибровки параметров ориентации хирургических инструментов 5 в 3D пространстве роботизированной медицинской системы. Процесс калибровки ориентации хирургических инструментов заключается в прикладывании ровной цилиндрической поверхности хирургических инструментов к поверхности калибровочной детали 116 и поступательном перемещении вдоль оси канала с записью нескольких опорных точек (не менее двух). Параллелепипед 117 и призма 116 фиксируются на неподвижном референсном крепление 118, посредством винтов 120 и гаек 121.The parts for calibrating the orientation of surgical instruments and the method of using them are shown in Figure 16. The peculiarity of the parts consists in the presence of a parallelepiped with standardized holes 117 for a neurosurgical drill 119 and a trapezoidal prism 116 for a neurosurgical awl 96, a transpedicular tap 95 and a transpedicular screwdriver 97 with a screw for calibrating the orientation parameters of surgical instruments 5 in the 3D space of the robotic medical system. The process of calibrating the orientation of surgical instruments consists in applying a flat cylindrical surface of the surgical instruments to the surface of the calibration part 116 and translational movement along the channel axis with recording several reference points (at least two). The parallelepiped 117 and the prism 116 are fixed on a fixed reference mount 118, by means of screws 120 and nuts 121.
Способ навигации рабочего органа роботизированной медицинской системы с осуществлением двухэтапного регулируемого останова включает в себя совокупность из перечня последовательно идущих друг за другом следующих способов:The method of navigation of the working element of a robotic medical system with the implementation of a two-stage controlled stop includes a set of the following methods from a list of successive ones:
1) Способа предоперационного планирования траекторий ввода транспедикулярных винтов с объемной визуализацией позвонков пациента, с возможностью их свободного ориентирования в 3D пространстве и возможностью визуальной настройки расположения сечений на 3D моделях позвонков;1) A method for preoperative planning of trajectories for insertion of transpedicular screws with volumetric visualization of the patient’s vertebrae, with the possibility of their free orientation in 3D space and the possibility of visual adjustment of the location of sections on 3D models of the vertebrae;
2) Способа привязки 3D моделей позвонков 194 к фактическому положению позвонков в пространстве, который осуществляется при помощи измерения координат сферических маркеров 71 стереофотограмметрической измерительной системой 3 на игловом щупе 76 и определения при помощи наконечника иглы 110 иглового щупа набора поверхностей позвонков в соответствии с алгоритмом привязки;2) A method for linking 3D models of vertebrae 194 to the actual position of the vertebrae in space, which is carried out by measuring the coordinates of spherical markers 71 with a stereophotogrammetric measuring system 3 on a needle probe 76 and determining, using the tip of the needle 110 of the needle probe, a set of vertebral surfaces in accordance with the linking algorithm;
3) Способа применения иглового щупа 76 для инициализации оси рабочего органа, определяющей ход проведения хирургических манипуляций и траекторию ввода хирургических инструментов 5 в роботизированной медицинской системе;3) A method for using a needle probe 76 to initialize the axis of the working element, determining the course of surgical manipulations and the trajectory of insertion of surgical instruments 5 in a robotic medical system;
4) Способа осуществления двухэтапного регулируемого останова ручного фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 по заданному направлению;4) A method for implementing a two-stage adjustable stop of a manual fixing manipulator with a manual principle of movement 1 in a given direction;
5) Способа применения хирургического беспроводного устройства 146 с рабочим органом, установка в рабочий орган хирургического беспроводного устройства при помощи разрезного зажима 68, процесс получения информации о ходе выполняемой хирургической манипуляций для последующего представления этой информации врачу для интраоперационного анализа;5) A method for using a surgical wireless device 146 with a working element, installation in the working element of the surgical wireless device using a cutting clamp 68, the process of obtaining information about the progress of the surgical manipulation being performed for subsequent presentation of this information to the doctor for intraoperative analysis;
6) Способа интраоперационной навигации хирургических инструментов 5 при помощи объемной мишени, визуализирующей координаты положения концевой точки хирургических инструментов 5 с креплениями, имеющими сферические маркеры стереофотограмметрической измерительной системы 71;6) A method for intraoperative navigation of surgical instruments 5 using a volumetric target that visualizes the coordinates of the position of the end point of surgical instruments 5 with fasteners having spherical markers of the stereophotogrammetric measuring system 71;
Способ навигации рабочего органа является единым целым, состоящим из 6 вышеперечисленных способов, и его описание начинается со способа предоперационного планирования траекторий ввода транспедикулярных винтов с объемной визуализацией позвонков пациента, с возможностью их свободного ориентирования в 3D пространстве и возможностью визуальной настройки расположения сечений на 3D моделях позвонков 194. Способ предоперационного планирования траекторий ввода включает применение информационного программного обеспечения для предоперационного планирования, состоящее из набора взаимосвязанных модулей. Модуль пользовательского интерфейса (далее приложение) информационного программного обеспечения предназначен для предоперационного планирования для управления сеансом операции. При помощи приложения хирург 8 может подготовить данные пациента 6, выполнить предоперационное планирование и управлять модулями системы во время проведения операции.The method of navigation of the working element is a single whole consisting of the 6 above-mentioned methods, and its description begins with the method of preoperative planning of trajectories of the introduction of transpedicular screws with volumetric visualization of the patient's vertebrae, with the possibility of their free orientation in 3D space and the possibility of visual adjustment of the location of sections on 3D models of the vertebrae 194. The method of preoperative planning of trajectories of the introduction includes the use of information software for preoperative planning, consisting of a set of interconnected modules. The user interface module (hereinafter referred to as the application) of the information software is intended for preoperative planning for managing the operation session. Using the application, the surgeon 8 can prepare the patient's 6 data, perform preoperative planning and manage the system modules during the operation.
Приложение хранит базу пациентов (далее БП) в файловой системе в виде иерархии каталогов. Запись о пациенте включает данные из электронной медицинской карты и данные медицинской визуализации в формате DICOM-файлов всего позвоночника и позвонков по отдельности. Все данные операционной сессии привязаны к пациенту. Данные пациента хранятся в текстовых файлах в каталоге пациента. Каталог пациента и все необходимые файлы могут быть добавлены при создании пациента или на этапе предоперационного планирования. Перед выполнением любых операций в приложение необходимо загрузить данные пациента, во время работы может быть загружен только один пациент. Сделать это можно на вкладке данных пациента.The application stores the patient database (hereinafter referred to as PD) in the file system as a hierarchy of directories. A patient record includes data from the electronic medical record and medical imaging data in the DICOM file format of the entire spine and individual vertebrae. All data from an operating session is linked to a patient. Patient data is stored in text files in the patient directory. The patient directory and all necessary files can be added when creating a patient or at the preoperative planning stage. Before performing any operations, patient data must be loaded into the application; only one patient can be loaded at a time. This can be done on the patient data tab.
Вариант реализации интерфейса приложения показан на фигурах 17-24, а также фигурах 34-35 и представляет собой приложение с общим меню, но разделенное на несколько вкладок, по этапам подготовки и проведения операции.The implementation variant of the application interface is shown in Figures 17-24, as well as Figures 34-35, and is an application with a common menu, but divided into several tabs, according to the stages of preparation and execution of the operation.
Вкладка данных пациента, показанная на фигуре 17, горизонтально поделена на две области: в левой части пользователь может редактировать данные активного пациента, а в правой отображается трехмерная объединенная модель DICOM-файлов со снимками пациента. Важно отметить, что положение и ориентация STL-файла модели позвонка должны соответствовать положению и ориентации данного позвонка в DICOM-файле снимка. По мере добавления DICOM-файлов снимков они будут отображаться в окне справа. Основные элементы управления на вкладке «Данные пациента» имеют следующие элементы: поле ввода ФИО пациента 149, кнопку загрузки данных сессии(если пациент есть в БП) или создания нового пациента 150, кнопку сохранения данных активной сессии в БП 151, кнопку центрирования камеры правого вида на центре загруженного DICOM-файла 152, путь к каталогу, содержащему DICOM-файл изображения позвоночника 153, кнопку редактирования передаточной функции для DICOM-файла позвоночника 154, элементы управления размерами отображаемого DICOM-файла позвоночника 155, наименование первого позвонка 156, путь к STL-файлу модели первого позвонка 157, путь к каталогу, содержащему DICOM-файл изображения первого позвонка 158, кнопку редактирования передаточной функции для DICOM-файла первого позвонка 159. На 3D сцене выводится визуализация всех DICOM-файлов пациента 160.The patient data tab, shown in Figure 17, is horizontally divided into two areas: the left side allows the user to edit the active patient's data, while the right side displays a 3D merged model of the patient's DICOM files with the patient's images. It is important to note that the position and orientation of the vertebra model STL file must match the position and orientation of the vertebra in the DICOM image file. As DICOM image files are added, they will be displayed in the window on the right. The main controls on the Patient Data tab are as follows: patient name input field 149, session data loading button (if the patient is in the BP) or new patient creation button 150, active session data saving button in the BP 151, right view camera centering button on loaded DICOM file center 152, path to directory containing spine image DICOM file 153, spine DICOM file editing button 154, spine DICOM file size controls 155, first vertebra name 156, first vertebra model STL file path 157, first vertebra image DICOM file path 158, first vertebra DICOM file editing button 159. All patient DICOM files are displayed on the 3D scene 160.
Работа с приложением происходит последовательно от подготовки к проведению операции. Этапы подготовки или операции отображаются во вкладках. Переходы между вкладками обеспечиваются кнопками «Предыдущий шаг» 161 и «Следующий шаг» 162. Также имеется возможность выбора любой необходимой на данный момент вкладки: вкладка с логами 163, вкладка подключений 164, вкладка с данными пациента 165, вкладка планирования операции 166, вкладка подготовки поверхностей для регистрации 167, вкладка виртуальной сцены операционной 168, вкладка интраоперационной навигации 169.The work with the application is done sequentially from preparation to the operation. The stages of preparation or operation are displayed in tabs. The transitions between tabs are provided by the buttons "Previous step" 161 and "Next step" 162. It is also possible to select any tab necessary at the moment: tab with logs 163, tab connections 164, tab with patient data 165, tab planning operation 166, tab preparation of surfaces for registration 167, tab virtual scene of the operating room 168, tab intraoperative navigation 169.
Для визуализации медицинских изображений пациента приложение содержит функцию 3D-реконструкции изображений в формате DICOM-файла с возможностью совмещения с моделями в формате STL-файла. Для получения изображения позвонков используется техника объемного рендеринга. Входными данными для объемной визуализации является трехмерный массив данных. Результатом объемного рендеринга является двухмерное изображения трехмерной воксельной модели. Воксельная модель разбивает весь обьем трехмерного изображения на ячейки - воксели, создавая трехмерный растр. Для формирования изображения из точки наблюдения пускаются лучи, которые, проходя через вексельную модель позволяют вычислить значения пикселей итогового изображения. Для выбора точек вдоль пущенного луча используется уравнение прямой. Для вычисления плотности в выбранной точке используется трилинейная интерполяция, т.к. точки на луче не будут совпадать с узлами сетки трехмерного массива данных. После выбора точки и определения ее плотности необходимо перевести это значение в параметры пикселя: цвет и прозрачность. Такое преобразование выполняется при помощи передаточных функций (transfer function). Пользователю доступны возможности гибкой настройки передаточной функции для каждого DICOM-файла, а также выбора модели расчета освещения для сцены, как представлено на фигуре 18.To visualize medical images of a patient, the application contains a function for 3D reconstruction of images in DICOM file format with the ability to combine with models in STL file format. To obtain an image of the vertebrae, the volume rendering technique is used. The input data for volume rendering is a three-dimensional data array. The result of volume rendering is a two-dimensional image of a three-dimensional voxel model. The voxel model divides the entire volume of the three-dimensional image into cells - voxels, creating a three-dimensional raster. To form an image, rays are launched from the observation point, which, passing through the voxel model, allow you to calculate the pixel values of the final image. To select points along the launched ray, the equation of a straight line is used. To calculate the density at the selected point, trilinear interpolation is used, since the points on the ray will not coincide with the grid nodes of the three-dimensional data array. After selecting a point and determining its density, it is necessary to convert this value into pixel parameters: color and transparency. This conversion is performed using transfer functions. The user has the ability to flexibly configure the transfer function for each DICOM file, as well as select the lighting calculation model for the scene, as shown in Figure 18.
Пользователь может менять параметры передаточных функций в окне «Transfer function editor», доступном в приложении для каждого отображаемого DICOM-файла. Параметры передаточных функций определяют видимость и цвет отображаемых структур объемного изображения. Для задания передаточной функции используются набор точек, каждой из которых соответствует пороговое значение для плотности и соответствующее им значение плотности и цвета. Количество точек не ограничено, параметры в областях между точками вычисляются при помощи линейной интерполяции. Дополнительно, в окне задания передаточной функции выводится гистограмма. Гистограмма позволяет оценить диапазон значений трехмерного массива данных, а также степень присутствия тех, или иных структур. Подобный способ задания передаточной функции позволяет гибко задавать выводимые на экран структуры и их визуальное представление.The user can change the parameters of the transfer functions in the Transfer Function Editor window, which is available in the application for each displayed DICOM file. The parameters of the transfer functions determine the visibility and color of the displayed structures of the volumetric image. To set the transfer function, a set of points is used, each of which corresponds to a threshold value for density and the corresponding value of density and color. The number of points is not limited, the parameters in the areas between the points are calculated using linear interpolation. Additionally, a histogram is displayed in the transfer function setting window. The histogram allows you to estimate the range of values of the three-dimensional data array, as well as the degree of presence of certain structures. This method of setting the transfer function allows you to flexibly set the structures displayed on the screen and their visual representation.
Одним из основных шагов на этапе предоперационного планирования является планирование размещения транспедикулярного винта в позвонке. Врачу необходимо выбрать две точки оси винта, однозначно задающие его положение. Целевая точка задает конечное размещение винта внутри позвонка, а точка ввода задает ориентацию оси винта и положение точки ввода хирургического инструмента.One of the main steps in the preoperative planning stage is planning the placement of the pedicle screw in the vertebra. The physician must select two points on the screw axis that clearly define its position. The target point defines the final placement of the screw within the vertebra, and the entry point defines the orientation of the screw axis and the position of the entry point of the surgical instrument.
Выбор траектории введения винта в позвонок производится на отдельной вкладке приложения. Окно редактирования разделено на несколько областей, как представлено на фигуре 19. В левой части расположена панель с информацией и инструментами. Центральную часть окна занимает окно визуализации со свободной камерой. В правой верхней части располагается окно визуализации со разрезом в фронтальной плоскости, позвонок всегда разрезается по оси винта, ориентация среза всегда перпендикулярно направлению взора камеры. В правой нижней части располагается окно визуализации в горизонтальной области проекции, направление взора камеры соответствует оси винта, расположение плоскости среза можно изменить при помощи ползунка "SlicePos", расположенного в нижнем левом углу окна.The selection of the trajectory of the screw insertion into the vertebra is performed on a separate tab of the application. The editing window is divided into several areas, as shown in Figure 19. In the left part there is a panel with information and tools. The central part of the window is occupied by the visualization window with a free camera. In the upper right part there is a visualization window with a cut in the frontal plane, the vertebra is always cut along the screw axis, the orientation of the cut is always perpendicular to the direction of the camera view. In the lower right part there is a visualization window in the horizontal projection area, the direction of the camera view corresponds to the screw axis, the location of the cut plane can be changed using the "SlicePos" slider, located in the lower left corner of the window.
На панели инструментов доступны следующие управляющие элементы: комбинированный список, служащий для выбора активного позвонка 170, кнопка "Focus view" - позволяет сбросить положение камер, расположив позвонки в центре видов 171, DicomTF - редактор передаточной функции для трехмерной воксельной модели позвонка 172, SliceTF - редактор передаточной функции для двухмерной проекции позвонка на плоскость среза 173, SlicePosition - редактор точки центра пространственного положения плоскости среза 174, SliceNormal - редактор вектора нормали плоскости среза 175, Control points visible - позволяет скрывать / показывать элементы управления для точек траектории 176, Middle point visible - позволяет скрывать/показывать элемент управления для всей средней точки траектории 177, Show screw - позволяет скрывать / показывать модель винта 178, Point in - координаты начальной точки траектории введения винта 179, Point target -координаты конечной точки траектории введения винта 180, Screw position - смещение винта, относительно целевой точки первого винта 181, Screw position - смещение винта, относительно целевой точки второго винта 182, Save Plan - позволяет сохранить план 183, окно визуализации со разрезом в фронтальной плоскости 184, окно визуализации в горизонтальной области проекции 185, ползунок управления глубиной среза окна визуализации в горизонтальной области проекции 186, 3D модель винта 187.The following controls are available on the toolbar: a combo box for selecting the active vertebra 170, the "Focus view" button - resets the camera positions, placing the vertebrae in the center of the views 171, DicomTF - editor of the transfer function for the three-dimensional voxel model of the vertebra 172, SliceTF - editor of the transfer function for the two-dimensional projection of the vertebra onto the slice plane 173, SlicePosition - editor of the center point of the spatial position of the slice plane 174, SliceNormal - editor of the normal vector of the slice plane 175, Control points visible - allows you to hide / show the controls for the trajectory points 176, Middle point visible - allows you to hide / show the control for the entire middle point of the trajectory 177, Show screw - allows you to hide / show the screw model 178, Point in - coordinates of the starting point of the screw insertion trajectory 179, Point target - coordinates of the end point of the screw insertion trajectory 180, Screw position - screw offset relative to the target point of the first screw 181, Screw position - screw offset relative to the target point of the second screw 182, Save Plan - allows you to save the plan 183, visualization window with a cut in the frontal plane 184, visualization window in the horizontal projection area 185, slider to control the depth of the cut of the visualization window in the horizontal projection area 186, 3D model of the screw 187.
Перед созданием плана пользователю необходимо выбрать позвонок, для которого этот план будет предназначен. После выбора позвонка, он отобразится в центральном окне визуализации и будет загружен последний сохраненный план для этого позвонка. Пользователь может перемещать камеру в центральном окне так же, как и в других окнах приложения со свободной камерой. Помимо позвонка в центральном виде есть перемещаемая плоскость, срезающая часть позвонка для отображения внутренней структуры. Пользователь может перемещать плоскость, используя мышь. Следует отметить, что каждому позвонку соответствует одна траектория винта, а задание точек просто изменяет ее положение. После того как траектория введения винта будет задана внутри позвонка, пользователь может отобразить винт и оценить его расположение на видах справа.Before creating a plan, the user must select the vertebra for which this plan will be intended. After selecting a vertebra, it will be displayed in the central visualization window and the last saved plan for this vertebra will be loaded. The user can move the camera in the central window in the same way as in other windows of the application with a free camera. In addition to the vertebra, the central view has a movable plane that cuts off a part of the vertebra to display the internal structure. The user can move the plane using the mouse. It should be noted that each vertebra corresponds to one screw trajectory, and specifying points simply changes its position. After the screw insertion trajectory is specified inside the vertebra, the user can display the screw and evaluate its location in the views on the right.
Для уточнения положения траектории используются элементы управления, отображаемые в точках отрезка траектории, представленные на фигуре 20. Элементы управления на концах отрезка дают возможность перемещать целевую точку и точку ввода по одной или нескольким осям в мировой системе координат. Элемент управления по центру отрезка позволяет перемещать обе точки одновременно в зависимости от ориентации отрезка. Во время изменения положения отрезка траектории проекции на виде справа будут пересчитываться, что позволит врачу оценивать качество плана ввода винта в реальном времени. Элемент управления, расположенный в центре отрезка траектории, позволяет удобно управлять глубиной введения винта и смещать его, не изменяя ориентации.The position of the trajectory is refined using the controls displayed at the points of the trajectory segment shown in Figure 20. The controls at the ends of the segment allow the target point and the insertion point to be moved along one or more axes in the world coordinate system. The control at the center of the segment allows both points to be moved simultaneously depending on the orientation of the segment. When the position of the trajectory segment is changed, the projections in the right view will be recalculated, allowing the clinician to evaluate the quality of the screw insertion plan in real time. The control located at the center of the trajectory segment allows convenient control of the screw insertion depth and its displacement without changing the orientation.
Виды в правой части окна позволяют оценить расстояния до края кости в различных проекциях. Пользователь может перемещать камеру на правом верхнем виде 184 вокруг винта, оценивая расстояния в различных проекциях. На правом нижнем виде 185 положение камеры всегда соответствует траектории введения - камера «смотрит» на винт из целевой точки в точку введения.The views on the right side of the window allow you to estimate the distance to the bone edge in different projections. The user can move the camera in the upper right view 184 around the screw, estimating the distance in different projections. In the lower right view 185, the camera position always corresponds to the insertion trajectory - the camera "looks" at the screw from the target point to the insertion point.
После выбора подходящих точек расположения винта необходимо нажать кнопку сохранения плана 183. Данные плана сохраняются в каталог пациента. Сохранение данных плана обновляет план на вкладке интроперационной навигации, если выбран редактируемый позвонок.After selecting the appropriate screw placement points, click the save plan button 183. The plan data is saved to the patient directory. Saving the plan data updates the plan in the intraoperative navigation tab if an editable vertebra is selected.
Разметка поверхностей позвонков производится в отдельной вкладке приложения, как представлено на фигуре 21. Вкладка поделена на два окна: слева - панель действий, справа - визуализация выбранной модели позвонка. Врачу необходимо отметить, на 3D модели позвонка 194, те поверхности, на которых во время операции будут проводиться измерения координат точек позвонка пациента, посредством использования иглового щупа. Позвонок можно выбрать в выпадающем списке панели действий 188. Выбранная модель позвонка отображается в окне справа. Для выбранного позвонка автоматически загружаются сохраненные ранее данные о разметке поверхностей.The marking of the vertebral surfaces is performed in a separate tab of the application, as shown in Figure 21. The tab is divided into two windows: on the left is the action panel, on the right is the visualization of the selected vertebra model. The doctor needs to mark, on the 3D model of vertebra 194, those surfaces on which the measurements of the coordinates of the patient's vertebra points will be performed during the operation, using a needle probe. The vertebra can be selected in the drop-down list of the action panel 188. The selected vertebra model is displayed in the window on the right. For the selected vertebra, the previously saved data on the marking of the surfaces is automatically loaded.
Каждая из семи зон имеет уникальную цветовую индикацию в панели действий 190 и при размещении на модели. Пользователь может выбрать активную зону, нажав на кнопку соответствующего цвета в панели действий. Разметка поверхности осуществляется при помощи 3D курсора 193. При помещении на поверхность модели 3D-кypcop размечает прилегающую поверхность в определенном радиусе, либо удаляет разметку соответствующей зоны, в зависимости от режима, установленного на панели действий. Смена режима (добавление / удаление) осуществляется нажатием кнопки "Add/Rem" 189. Для быстрой очистки всех выделенных поверхностей пользователь может использовать кнопку "Clear surfaces" 191. Во время редактирования пользователь может перемещать камеру при помощи мыши, вернуть камеру в начальное положение можно нажатием кнопки «Focus view» 171.Each of the seven zones has a unique color indication in the action panel 190 and when placed on the model. The user can select an active zone by clicking on the button of the corresponding color in the action panel. The surface is marked using the 3D cursor 193. When placed on the model surface, the 3D cursor marks the adjacent surface within a certain radius, or deletes the marking of the corresponding zone, depending on the mode set on the action panel. Changing the mode (adding / deleting) is done by pressing the "Add / Rem" button 189. To quickly clear all selected surfaces, the user can use the "Clear surfaces" button 191. During editing, the user can move the camera using the mouse; the camera can be returned to its original position by pressing the "Focus view" button 171.
Размеченные зоны на поверхности модели могут перекрывать друг друга. Приоритет отображения имеет зона с меньшим номером. При необходимости, пользователь может скрыть отображение зоны сняв выделение с флага зоны на панели действий. Для завершения разметки зон stl-модели пользователю необходимо нажать на кнопку "Save" 192 чтобы сохранить данные размеченных областей. Данные сохраняются в каталоге выбранного пациента.The marked zones on the model surface may overlap each other. The zone with the lower number has the priority of display. If necessary, the user can hide the display of the zone by deselecting the zone flag on the action panel. To complete the marking of the stl-model zones, the user must click the "Save" button 192 to save the data of the marked areas. The data is saved in the catalog of the selected patient.
На фигуре 22 показана вкладка калибровки и проверка положения кончика хирургического инструмента. Она содержит два окна, левое для калибровки, правое для проверки. Калибровка и проверка представляет собой проведение необходимых манипуляций с хирургическим инструментом перед каждым проведением операции, а также в случаях, когда установленное на хирургический инструмент крепление со сферическими маркерами было смещено относительно своего исходного калиброванного положения. Процесс проведения калибровки и проверки осуществляется по установленному регламенту и в соответствии с визуальными и звуковыми сигналами в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.Figure 22 shows the calibration tab and checking the position of the tip of the surgical instrument. It contains two windows, the left one for calibration, the right one for checking. Calibration and checking is the implementation of the necessary manipulations with the surgical instrument before each operation, as well as in cases where the mount with spherical markers installed on the surgical instrument has been shifted relative to its original calibrated position. The process of performing calibration and checking is carried out according to the established regulations and in accordance with visual and sound signals in the information software of the robotic medical system.
На фигуре 23 представлена вкладка калибровки и проверки ориентации оси хирургического инструмента. Она содержит два окна, левое для калибровки, правое для проверки. Процесс проведения калибровки ориентации оси хирургического инструмента происходит по установленному регламенту в соответствии с визуальными и звуковыми инструкциями в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.Figure 23 shows the tab for calibration and checking the orientation of the surgical instrument axis. It contains two windows, the left one for calibration, the right one for checking. The process of performing calibration of the orientation of the surgical instrument axis occurs according to the established regulations in accordance with the visual and audio instructions in the information software of the robotic medical system.
Вкладка виртуальной сцены, представленная на фигуре 24, демонстрирует общий вид на расположение всех моделей в единой системе координат и служит для визуализации операционного поля во время выполнения операции. Вкладка разделена на 2 части: слева расположен граф сцены, где можно выбрать элемент сцены и определить его координаты, а справа расположено большое окно с изображением всех не скрытых элементов сцены и свободной камерой. При помощи графа пользователь может изменять положение позвонков, выполняя коррекцию положения стержней (rod) в виртуальной среде. Основное назначение данной вкладки - визуальная оценка расположения позвонков, стержней и хирургических инструментов во время и после регистрации.The virtual scene tab, shown in Figure 24, displays a general view of the arrangement of all models in a single coordinate system and serves to visualize the surgical field during the operation. The tab is divided into 2 parts: on the left is a scene graph, where you can select a scene element and determine its coordinates, and on the right is a large window with an image of all unhidden scene elements and a free camera. Using the graph, the user can change the position of the vertebrae, performing corrections to the position of the rods in the virtual environment. The main purpose of this tab is to visually assess the arrangement of the vertebrae, rods, and surgical instruments during and after registration.
Способ применения иглового щупа для привязки позвонков показан на фигуре 25. Процесс привязки позвонков заключается в последовательной записи координат точек поверхностей позвонка, к которым приложен кончик медицинской иглы 110, установленной в игловом щупе 76. Процесс привязки позвонка необходим для определения положения и ориентации позвонка относительно крепления со сферическими маркерами 102, установленными на специальной треноге упругого зажима, который закреплен на позвонке, для обеспечения навигации при проведении хирургических манипуляций по введению транспедикулярного винта в тело данного позвонка. Поверхности позвонка и количество точек на поверхностях задается на предоперационном этапе в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы. Сбор точек происходит последовательно от поверхности к поверхности, для записи точки происходит при неподвижном удержании кончика иглы 110 в определенной области в течении некоторого времени автоматически. Такие операции как начало записи, окончание записи, запись новой точки и полная запись новой поверхности обозначаются звуковым сигналом из динамика.The method of using the needle probe for vertebrae binding is shown in Figure 25. The process of vertebrae binding consists of sequentially recording the coordinates of the points of the vertebra surfaces to which the tip of the medical needle 110 installed in the needle probe 76 is applied. The process of vertebra binding is necessary to determine the position and orientation of the vertebra relative to the attachment with spherical markers 102 installed on a special tripod of the elastic clamp, which is fixed on the vertebra, to ensure navigation during surgical manipulations to insert a transpedicular screw into the body of this vertebra. The surfaces of the vertebra and the number of points on the surfaces are specified at the preoperative stage in the information software of the robotic medical system. The collection of points occurs sequentially from surface to surface, for recording a point, it occurs with a motionless holding of the tip of the needle 110 in a certain area for some time automatically. Such operations as the beginning of recording, the end of recording, recording a new point and a complete recording of a new surface are indicated by a sound signal from the speaker.
Алгоритм применения иглового щупа для привязки к позвонку пациента показан на фигуре 26. Процесс привязки к позвонку пациента начинается по нажатию кнопки в интерфейсе управления 128 и сообщается хирургу специальным звуковым сигналом 129 из динамика стойки управления. Далее хирург перемещает кончик иглового щупа в любую удобную для него точку на запланированной поверхности позвонка 130, информационное программное обеспечение по сбору точек проверяет условие по расстоянию до предыдущей точки 131, для того чтобы исключить ошибочную запись координат близко находящихся точек, что ухудшит качество последующего сведения, если точка является первой, происходит сравнение с нулевой координатой. Далее происходит проверка условия неподвижности кончика углового щупа на поверхности позвонка 132, для записи координат необходимо не менее двух секунд удерживать кончик в неподвижном положении, при соблюдении данного условия произойдет запись координат точки поверхности позвонка и следующей за ней специальный звуковой сигнал 133, для оповещения хирурга о необходимости перехода к следующей точке. В информационное программное обеспечение встроен счетчик точек и поверхностей 134, количества которых запланированы заранее в предоперационном режиме, данный счетчик позволяет уведомлять хирурга специальным звуковым сигналом 135 о том, что все точки на текущей поверхности записаны, и можно переходить к следующей. При записи координат всех запланированных точек на всех запланированных поверхностях позвонка пациента 136, происходит уведомление хирурга, посредством специального звукового сигнала 137. Измеренные координаты точек поверхностей позвонка формируются в пакет данных и отправляются в информационное программное обеспечение для интраоперационной навигации хирургических инструментов для последующего сведения измеренных координат точек поверхностей позвонка с его 3D моделью 138. В результате сведения сопоставляется положение и ориентация реального позвонка и его 3D модели, таким образом данные о положении и ориентации запланированной траектории введения хирургических инструментов на 3D модели позвонка, преобразуются в положение и ориентацию траектории введения хирургических инструментов на реальном позвонке в стереофотограмметрической навигационной системе. При математическом расчете также происходит оценка среднеквадратического отклонения результатов сведения, по величине которой происходит проверка результатов привязки 139, при превышении определенного порога величины среднеквадратического отклонения, результаты считаются неудовлетворительными и процесс привязки к позвонку пациента следует повторить, до достижения необходимой величины среднеквадратического отклонения.The algorithm for using the needle probe for binding to the patient's vertebra is shown in Figure 26. The binding process to the patient's vertebra begins by pressing the button in the control interface 128 and is reported to the surgeon by a special sound signal 129 from the speaker of the control stand. Then the surgeon moves the tip of the needle probe to any point convenient for him on the planned surface of the vertebra 130, the information software for collecting points checks the condition by the distance to the previous point 131 in order to exclude erroneous recording of the coordinates of closely located points, which will worsen the quality of subsequent reduction, if the point is the first, a comparison with the zero coordinate is made. Then the condition of immobility of the tip of the angular probe on the surface of the vertebra 132 is checked, for recording the coordinates it is necessary to hold the tip in a fixed position for at least two seconds, if this condition is met, the coordinates of the point on the surface of the vertebra are recorded and a special sound signal 133 follows it, to notify the surgeon of the need to move to the next point. The information software has a built-in counter of points and surfaces 134, the quantities of which are planned in advance in the preoperative mode, this counter allows notifying the surgeon with a special sound signal 135 that all points on the current surface have been recorded, and it is possible to move on to the next one. When recording the coordinates of all planned points on all planned surfaces of the patient's vertebra 136, the surgeon is notified by means of a special sound signal 137. The measured coordinates of the vertebral surface points are formed into a data package and sent to the information software for intraoperative navigation of surgical instruments for subsequent reduction of the measured coordinates of the vertebral surface points with its 3D model 138. As a result of the reduction, the position and orientation of the real vertebra and its 3D model are compared, thus the data on the position and orientation of the planned trajectory of insertion of surgical instruments on the 3D model of the vertebra are converted into the position and orientation of the trajectory of insertion of surgical instruments on the real vertebra in the stereophotogrammetric navigation system. During the mathematical calculation, an assessment of the standard deviation of the results of the reduction is also made, according to the value of which the results of the binding 139 are checked; if a certain threshold of the standard deviation is exceeded, the results are considered unsatisfactory and the process of binding to the patient's vertebra should be repeated until the required value of the standard deviation is achieved.
Алгоритм сведения измеренных точек позвонка с поверхностями его трехмерной модели для определения положения позвонка относительно референсного крепления показан на фигуре 27. В качестве входных данных алгоритм получает два набора данных: наборы точек, разбитые по группам и наборы поверхностей, представленные в виде треугольников, также разбитые по группам. В качестве выходных данных выступает шесть параметров, описьшающих положение модели позвонка, и сравнительный параметр оценки ошибки.The algorithm for bringing together the measured points of the vertebra with the surfaces of its three-dimensional model to determine the position of the vertebra relative to the reference mount is shown in Figure 27. The algorithm receives two sets of data as input: sets of points divided into groups and sets of surfaces presented as triangles, also divided into groups. The output data are six parameters describing the position of the vertebra model and a comparative parameter for estimating the error.
Наборы точек представлены списком из групп точек. Каждая группа также является списком, в которую входят структуры, описывающие трехмерные вектора - сущности с полями х, у и z, представленными числами с плавающей запятой по стандарту IEEE 754. Поля х, у и z описывают соответствующие проекции вектора на оси X, Y и Z.Point sets are represented by a list of point groups. Each group is also a list, which contains structures describing three-dimensional vectors - entities with x, y, and z fields represented by IEEE 754 floating-point numbers. The x, y, and z fields describe the corresponding projections of the vector onto the X, Y, and Z axes.
Наборы поверхностей представлены списком из поверхностей. Каждая поверхность описывается списком треугольников. Каждый треугольник, в свою очередь, представлен тройкой векторов.Sets of surfaces are represented by a list of surfaces. Each surface is described by a list of triangles. Each triangle, in turn, is represented by a triple of vectors.
Положение модели позвонка представляется в виде шести чисел: х, у, z, a, b и с. Значения х, у и z описывают перемещение модели относительно эталонного положения по осям X, Y и Z в миллиметрах. Значения a, b и с задают последовательные повороты модели позвонка относительно эталонного положения вокруг осей Z, Y, X, проходящих через нулевую точку смещенной модели. Цель работы алгоритма - нахождение таких х, у, z, а, b и с, что при смещении модели позвонка в виртуальном пространстве относительно эталонного положения положение модели позвонка относительно нуля виртуального пространства совпадает с положением реального позвонка относительно референсного крепления. Это достигается за счет нахождения х, у, z, a, b и с приводящих к помещению измеренных точек на размеченные поверхности.The position of the vertebra model is represented as six numbers: x, y, z, a, b and c. The values of x, y and z describe the displacement of the model relative to the reference position along the X, Y and Z axes in millimetres. The values of a, b and c specify successive rotations of the vertebra model relative to the reference position around the Z, Y, X axes passing through the zero point of the displaced model. The goal of the algorithm is to find x, y, z, a, b and c such that when the vertebra model in the virtual space is displaced relative to the reference position, the position of the vertebra model relative to the zero of the virtual space coincides with the position of the real vertebra relative to the reference mount. This is achieved by finding x, y, z, a, b and c that result in placing the measured points on the marked surfaces.
Работу алгоритма можно разделить на несколько этапов. На первом этапе происходит предварительная подготовка данных. Производится нахождение центра наборов точекThe algorithm's operation can be divided into several stages. At the first stage, preliminary data preparation occurs. The center of the point sets is found
: :
где:Where:
• n - суммарное число точек во всех группах точек;• n - the total number of points in all groups of points;
• - положение i-той точки.• - position of the i-th point.
Помимо этого производится нахождение центра параллельного осям ограничивающего поверхности параллелепипеда :In addition, the center parallel to the axes of the bounding surface of the parallelepiped is found. :
где:Where:
• А - индекс составляющей вектора, принимает значение X, Y или Z;• A is the index of the vector component, takes the value X, Y or Z;
• - наибольшее значение А составляющей векторов поверхностей;• - the greatest value of the A component of the surface vectors;
• - наименьшее значение А составляющей векторов поверхностей.• - the smallest value of the A component of the surface vectors.
На втором этапе производится поиск значения набора параметров s, обеспечивающего близкое к оптимальному положение наборов точек относительно соответствующих поверхностей. Для оценки положения наборов точек относительно соответствующих поверхностей используется следующий метод оценки:At the second stage, the value of the parameter set s is searched for, which ensures a position of the sets of points relative to the corresponding surfaces that is close to the optimal position. The following evaluation method is used to estimate the position of the sets of points relative to the corresponding surfaces:
где:Where:
• n - суммарное число точек во всех группах точек;• n - the total number of points in all groups of points;
• Di(s) - оценка отклонения, которая задается как:• D i (s) is the deviation estimate, which is given as:
где min(Tij(s)) - минимум квадрата расстояния от i-той точки до соответствующейwhere min(T ij (s)) is the minimum square of the distance from the i-th point to the corresponding
поверхности. Минимум квадрата расстояния от i-той точки до соответствующей поверхности определяется как минимум из квадратов расстояния от i-той точки до треугольников соответствующей поверхности. Квадрат расстояния от i-той точки до j-того треугольника поверхности определяется как:surface. The minimum of the square of the distance from the i-th point to the corresponding surface is determined as the minimum of the squares of the distance from the i-th point to the triangles of the corresponding surface. The square of the distance from the i-th point to the j-th triangle of the surface is determined as:
где - дельта-вектор между i-той точкой и ближайшей к ней точкой на поверхности j-того треугольника.Where - delta vector between the i-th point and the closest point to it on the surface of the j-th triangle.
Положение i-той точки определяется следующим образом:Position of the i-th point is defined as follows:
где - функция преобразования точки:Where - point transformation function:
где - функция поворота точки:Where - point rotation function:
где Fang(s) - модуль вектора, содержащего углы поворота представления ось-угол для функции поворота точки , a Fax(s)- нормированный модуль вектора, содержащего координаты оси представления ось-угол для функции поворота точки :where F ang (s) is the modulus of the vector containing the rotation angles of the axis-angle representation for the point rotation function , a F ax (s) is the normalized modulus of the vector containing the coordinates of the axis-angle representation for the point rotation function :
Поиск оптимального значения s производится с помощью численного поискового алгоритма Нелдера-Мида. В качестве начальных параметров для поиска используются автоматически генерируемые значения s:The search for the optimal value of s is performed using the Nelder-Mead numerical search algorithm. The initial parameters for the search are automatically generated values of s:
Полученные после работы алгоритма Нелдера-Мида оптимальные значения s используются для последующего расчета выходных параметров. Значения х, у и z определяются как:The optimal values of s obtained after running the Nelder-Mead algorithm are used to subsequently calculate the output parameters. The values of x, y, and z are determined as:
где Finv определена какwhere F inv is defined as
Значения a, b и с определяются следующим образом:The values of a, b and c are determined as follows:
где:Where:
Полученные значения х, у, z, a, b и с могут быть использованы для определения положения позвонка относительно опорного референсного крепления 118.The obtained values of x, y, z, a, b and c can be used to determine the position of the vertebra relative to the supporting reference mount 118.
Способ применения иглового щупа для привязки рабочего органа роботизированной медицинской системы показан на фигуре 28. Процесс привязки рабочего органа 2 роботизированной медицинской системы происходит посредством помещения кончика медицинской иглы 110 иглового щупа 76 в определенные углубления на поверхности рабочего органа 2. Процесс привязки рабочего органа 2 роботизированной медицинской системы необходим для определения положения и ориентации оси рабочего органа роботизированной медицинской системы относительно установленного на ней крепления со сферическими маркерами 102. Начало процесса привязки происходит через нажатие кнопки в интерфейсе управления. Такие операции как начало записи, окончание записи и запись новой точки обозначаются звуковым сигналом из динамика.The method of using a needle probe for binding the working element of a robotic medical system is shown in Figure 28. The binding process of the working element 2 of the robotic medical system occurs by placing the tip of the medical needle 110 of the needle probe 76 into certain recesses on the surface of the working element 2. The binding process of the working element 2 of the robotic medical system is necessary for determining the position and orientation of the axis of the working element of the robotic medical system relative to the mount with spherical markers 102 installed on it. The binding process begins by pressing a button in the control interface. Such operations as the start of recording, the end of recording and recording a new point are indicated by a sound signal from the speaker.
Алгоритм применения иглового щупа для привязки рабочего органа роботизированной медицинской системы показан на фигуре 29. Процесс привязки рабочего органа роботизированной медицинской системы начинается по нажатию кнопки в интерфейсе управления 140 и сообщается хирургу специальным звуковым сигналом 141 из динамика стойки управления. Далее хирург перемещает кончик иглового щупа в любую калибровочную лунку на поверхности рабочего органа 142. Запись точки происходит по условию неподвижности кончика углового щупа в лунке рабочего органа 132, для записи координат необходимо не менее двух секунд удерживать кончик в неподвижном положении, при соблюдении данного условия произойдет запись координат точки поверхности рабочего органа и следующей за ней специальный звуковой сигнал 143, для оповещения хирурга о необходимости перехода к следующей точке. После записи координат необходимого количества точек на поверхности рабочего органа 136, происходит оповещающий звуковой сигнал о завершении процесса 144. Далее происходит расчет ориентации оси рабочего органа фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения в информационном программном обеспечении с выводом данных в интерфейс управления 145 из набора координат полученных точек. При математическом расчете также происходит оценка среднеквадратического отклонения результатов привязки рабочего органа, по величине которой происходит проверка результатов привязки 139, при превышении определенного порога величины среднеквадратического отклонения, результаты считаются неудовлетворительными и процесс привязки рабочего органа следует повторить, до достижения необходимой величины среднеквадратического отклонения.The algorithm for using the needle probe for binding the working element of the robotic medical system is shown in Figure 29. The process of binding the working element of the robotic medical system begins by pressing the button in the control interface 140 and is reported to the surgeon by a special sound signal 141 from the speaker of the control stand. Then the surgeon moves the tip of the needle probe to any calibration well on the surface of the working element 142. The point is recorded under the condition of immobility of the tip of the angular probe in the well of the working element 132, to record the coordinates it is necessary to hold the tip in a fixed position for at least two seconds, if this condition is met, the coordinates of the point on the surface of the working element will be recorded and a special sound signal 143 will follow it to notify the surgeon of the need to move to the next point. After recording the coordinates of the required number of points on the surface of the working element 136, a warning sound signal about the completion of the process 144 occurs. Then, the orientation of the axis of the working element of the fixing manipulator with the manual movement principle is calculated in the information software with the output of data to the control interface 145 from the set of coordinates of the obtained points. During the mathematical calculation, the standard deviation of the results of the binding of the working element is also estimated, according to the value of which the results of the binding 139 are checked; if a certain threshold of the standard deviation is exceeded, the results are considered unsatisfactory and the process of binding the working element should be repeated until the required value of the standard deviation is achieved.
Способ наведения оси рабочего органа роботизированной медицинской системы на запланированную траекторию, для обеспечения функции навигации при введении хирургических инструментов в позвонок пациента представлен на фигуре 30. Процесс наведения оси рабочего органа на запланированную траекторию происходит после планирования траектории, калибровки всех хирургических инструментов, привязки позвонка и рабочего органа 2 в стереофотограмметрической системе. Способ привязки 3D моделей позвонков к фактическому положению позвонков в пространстве, осуществляется при помощи измерения координат сферических маркеров стереофотограмметрической измерительной системой на игловом щупе 76 и определения при помощи наконечника иглы 110 иглового щупа 76 набора поверхностей позвонков в соответствии с алгоритмом привязки. Игловой щуп 76 также используется для инициализации оси рабочего органа 2, определяющей ход проведения хирургических манипуляций и траекторию ввода хирургических инструментов 5 в роботизированной медицинской системе. При наведении в поле зрения стерео-камеры 3 должны быть крепления со сферическими маркерами, установленные на рабочем органе роботизированной медицинской системы 2, крепление со сферическими маркерами на упругом зажиме 124, установленном на остистом отростке позвонка пациента, на котором в данный момент проводятся хирургические манипуляции по введению хирургических инструментов 5, а также неподвижное референсное крепление со сферическими маркерами 125, которая может быть установлена на операционный стол или иную неподвижную плоскость. Процесс наведения заключается в совмещении оси рабочего органа роботизированной медицинской системы, которая описывается координатами входной 126 и выходной 127 точек оси рабочего органа, определенными при привязки рабочего органа в стереофотограмметрической системе, и траектории введения хирургических инструментов в тело позвонка, описываемая точкой входа 128 и целевой точкой 129, которые были запланированы в информационном программном обеспечении на предоперационном этапе и определены в стереофотограмметрической системе, при проведении привязки к позвонку пациента. В первую очередь происходит совмещение оси рабочего органа роботизированной медицинской системы и луча траектории введения хирургических инструментов, далее происходит перемещение рабочего органа 2 для обеспечения необходимого расстояния между поверхностью позвонка и нижней поверхностью рабочего органа, что позволит ограничить глубину захода хирургического инструмента запланированной целевой точкой 129.The method of guiding the axis of the working element of the robotic medical system to the planned trajectory, to ensure the navigation function when introducing surgical instruments into the patient's vertebra is shown in Figure 30. The process of guiding the axis of the working element to the planned trajectory occurs after planning the trajectory, calibrating all surgical instruments, binding the vertebra and the working element 2 in the stereophotogrammetric system. The method of binding 3D models of vertebrae to the actual position of the vertebrae in space is carried out by measuring the coordinates of the spherical markers with the stereophotogrammetric measuring system on the needle probe 76 and determining with the tip of the needle 110 of the needle probe 76 a set of vertebral surfaces in accordance with the binding algorithm. The needle probe 76 is also used to initialize the axis of the working element 2, determining the course of surgical manipulations and the trajectory of insertion of surgical instruments 5 in the robotic medical system. When aiming, the field of view of the stereo camera 3 must include mounts with spherical markers installed on the working element of the robotic medical system 2, a mount with spherical markers on an elastic clamp 124 installed on the spinous process of the patient's vertebra, on which surgical manipulations are currently being performed to introduce surgical instruments 5, as well as a fixed reference mount with spherical markers 125, which can be installed on the operating table or another fixed plane. The aiming process consists of aligning the axis of the working element of the robotic medical system, which is described by the coordinates of the input 126 and output 127 points of the axis of the working element, determined when binding the working element in the stereophotogrammetric system, and the trajectory of insertion of the surgical instruments into the vertebral body, described by the entry point 128 and the target point 129, which were planned in the information software at the preoperative stage and determined in the stereophotogrammetric system when binding to the patient's vertebra. First of all, the axis of the working element of the robotic medical system and the beam of the trajectory of the introduction of surgical instruments are aligned, then the working element 2 is moved to ensure the necessary distance between the surface of the vertebra and the lower surface of the working element, which will limit the depth of entry of the surgical instrument to the planned target point 129.
Перемещение рабочего органа 2 обеспечивается последовательным перемещением осей фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения в необходимую конфигурацию. Для перемещения первой оси необходимо установить поворотную рукоятку эксцентрика 19 в узел первой оси и провести разблокировку оси, затем на автоматически управляемый тормоз 14 подается напряжение, и хирург 8 осуществляет перемещение фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 вокруг первой оси до рассчитанного положения, после чего подача напряжения прекращается и происходит фиксация эксцентрика вращательного фиксирующего узла первой оси. Для перемещения второй, третьей и четвертой осей также необходимо применить аналогичную процедуру с двухэтапной разблокировкой. Для второй оси поворотная рукоятка эксцентрика 19 должна быть установлена в узел второй оси с последующей разблокировкой эксцентрика. Затем подается напряжение на автоматически управляемый тормоз 14, и хирург 8 осуществляет перемещение звеньев фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 для установки второй оси в рассчитанное положение. После достижения рассчитанного положения подача напряжения прекращается, и эксцентрик вращательного фиксирующего узла второй оси фиксируется. Для третьей оси по аналогии поворотная рукоятка эксцентрика 19 должна быть установлена в узел третьей оси, и ось должна быть разблокирована. Подача напряжения осуществляется одновременно на автоматически управляемый тормоз 14 и на дополнительный автоматически управляемый тормоз 11, что позволяет хирургу 8 перемещать звенья фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 вокруг третьей оси до достижения рассчитанного положения. После этого подача напряжения прекращается, и эксцентрик вращательного фиксирующего узла третьей оси фиксируется. Для перемещения четвертой оси поворотная рукоятка эксцентрика 19 устанавливается в узел четвертой оси и проводится разблокировка оси. На автоматически управляемый тормоз 11 подается напряжение, и хирург 8 вращает выходное звено фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 вокруг четвертой оси до достижения нужного угла поворота. После чего подача напряжения прекращается, и эксцентрик вращательного фиксирующего узла четвертой оси фиксируется.The movement of the working element 2 is ensured by successive movement of the axes of the fixing manipulator with the manual movement principle to the required configuration. To move the first axis, it is necessary to install the rotary handle of the eccentric 19 in the first axis unit and to unlock the axis, then voltage is applied to the automatically controlled brake 14, and the surgeon 8 moves the fixing manipulator with the manual movement principle 1 around the first axis to the calculated position, after which the voltage supply is stopped and the eccentric of the rotary fixing unit of the first axis is fixed. To move the second, third and fourth axes, it is also necessary to apply a similar procedure with a two-stage unlocking. For the second axis, the rotary handle of the eccentric 19 must be installed in the second axis unit with subsequent unlocking of the eccentric. Then voltage is applied to the automatically controlled brake 14, and the surgeon 8 moves the links of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 to set the second axis to the calculated position. After reaching the calculated position, the voltage supply is stopped, and the eccentric of the rotary fixing unit of the second axis is fixed. For the third axis, by analogy, the rotary handle of the eccentric 19 must be installed in the unit of the third axis, and the axis must be unlocked. The voltage supply is carried out simultaneously to the automatically controlled brake 14 and to the additional automatically controlled brake 11, which allows the surgeon 8 to move the links of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 around the third axis until reaching the calculated position. After this, the voltage supply is stopped, and the eccentric of the rotary fixing unit of the third axis is fixed. To move the fourth axis, the rotary handle of the eccentric 19 is installed in the unit of the fourth axis and the axis is unlocked. Voltage is applied to the automatically controlled brake 11, and the surgeon 8 rotates the output link of the fixing manipulator with the manual movement principle 1 around the fourth axis until reaching the desired rotation angle. After which the voltage supply is stopped, and the eccentric of the rotary fixing unit of the fourth axis is fixed.
При этом в качестве исходных данных выступают граничные условия, т.е. обобщенные координаты, скорости и ускорения в начальный и конечный моменты времени. Вся траектория представляет собой единый сегмент, поскольку отсутствуют требования к промежуточным конфигурациям фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1. Закон движения каждого звена описывается полиномом с коэффициентами, с помощью которых осуществляется интерполяция обобщенных координат, скоростей и ускорений при перемещении фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 из одной точки в другую. На фигуре 31 показан график перемещение звена фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения на заданный угол. Хирург 8 вручную перемещает звено из начального положения q1 в конечное положение q2. При приближении к целевому положению в момент времени t1 происходит плавном повышении момента торможение от Mmin до Mmax, за счет изменения напряжения, подаваемого на автоматически управляемый тормоз 14 до тех пор, пока заданное положение не будет достигнуто в момент времени t2. При этом скорость движения звена V при постоянном усилии, оказываемом хирургом 8 на звено, постепенно снижается, т.к. ускорение звена становится отрицательным. После фиксации звена в заданном положении при помощи автоматически управляемого тормоза 14 применяется фиксация эксцентрикового зажима для осуществления возможности силового воздействия на вращательные фиксирующие узлы фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения. Таким образом, осуществляется двухэтапный регулируемый останов ручного фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 по заданному направлению. После фиксации всех звеньев фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения в заданной конфигурации в рабочий орган 2 фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения устанавливается хирургическое беспроводное устройство 146 для проведения хирургических манипуляций с использованием хирургического инструмента 5 и получения информации о ходе выполняемой хирургической манипуляций для последующего представления этой информации хирургу 8 для интраоперационного анализа. Интраоперационная навигация хирургических инструментов 5 осуществляется при помощи объемной мишени, визуализирующей координаты положения концевой точки хирургических инструментов с креплениями, имеющими сферические маркеры стереофотограмметрической измерительной системы.In this case, the initial data are the boundary conditions, i.e. the generalized coordinates, velocities and accelerations at the initial and final moments of time. The entire trajectory is a single segment, since there are no requirements for intermediate configurations of the fixing manipulator with the manual principle of movement 1. The law of motion of each link is described by a polynomial with coefficients, with the help of which the interpolation of the generalized coordinates, velocities and accelerations is carried out when moving the fixing manipulator with the manual principle of movement 1 from one point to another. Figure 31 shows a graph of the movement of the link of the fixing manipulator with the manual principle of movement by a given angle. Surgeon 8 manually moves the link from the initial position q1 to the final position q2. When approaching the target position at time t1, the braking torque smoothly increases from Mmin to Mmax by changing the voltage supplied to the automatically controlled brake 14 until the specified position is reached at time t2. In this case, the speed of movement of the link V at a constant force exerted by the surgeon 8 on the link gradually decreases, since the acceleration of the link becomes negative. After fixing the link in the specified position with the help of the automatically controlled brake 14, the fixation of the eccentric clamp is applied to implement the possibility of a force action on the rotary fixing units of the fixing manipulator with the manual movement principle. Thus, a two-stage adjustable stop of the manual fixing manipulator with the manual movement principle 1 in a specified direction is carried out. After fixing all links of the fixing manipulator with the manual movement principle in a given configuration, a surgical wireless device 146 is installed in the working element 2 of the fixing manipulator with the manual movement principle for performing surgical manipulations using the surgical instrument 5 and obtaining information about the progress of the surgical manipulation being performed for subsequent presentation of this information to the surgeon 8 for intraoperative analysis. Intraoperative navigation of the surgical instruments 5 is carried out using a volumetric target visualizing the coordinates of the position of the end point of the surgical instruments with fasteners having spherical markers of the stereophotogrammetric measuring system.
Способ применения хирургического беспроводного устройства с рабочим органом и способ установки в рабочий орган хирургического беспроводного устройства при помощи разрезного зажима представлен на фигуре 32. Хирургическое беспроводное устройство 146, в рамках роботизированной медицинской системы, применяется для анализа хода выполнения хирургических манипуляций.The method of using a surgical wireless device with a working element and the method of installing the surgical wireless device in the working element using a split clamp are shown in Figure 32. The surgical wireless device 146, within the framework of a robotic medical system, is used to analyze the progress of surgical manipulations.
Процесс получения информации о ходе выполняемой хирургической манипуляций для последующего представления этой информации врачу для интраоперационного анализа представлен на фигуре 33. Для анализа хода выполнения хирургической манипуляции хирургический инструмент 5 неподвижно фиксируется в конечном звене хирургического беспроводного устройства 146. Данные с хирургического беспроводного устройства 146 по беспроводному интерфейсу Wi-Fi передает данные о крутящих моментах, линейных силах и ориентации хирургического инструмента 5 в пространстве на стойке управления 4. Далее полученные данные в параллельном режиме выводятся на пользовательский интерфейс информационного программного обеспечения 148 роботизированной медицинской системы и записываются в лог файл с данными 147 для дальнейшей обработки.The process of obtaining information on the progress of the surgical manipulation being performed for subsequent presentation of this information to the doctor for intraoperative analysis is shown in Figure 33. To analyze the progress of the surgical manipulation, the surgical instrument 5 is fixed in the final link of the surgical wireless device 146. Data from the surgical wireless device 146 transmits data on torques, linear forces and orientation of the surgical instrument 5 in space on the control stand 4 via the wireless Wi-Fi interface. Then, the obtained data are output in parallel mode to the user interface of the information software 148 of the robotic medical system and are recorded in the log file with data 147 for further processing.
Вкладка интроперационной навигации, представленная на фигуре 34, служит для оценки положения хирургических инструментов по отношению к плану для выбранного позвонка и управления системой во время операции. На данной вкладке схематично отображен процесс позиционирования транспедикулярного винта, двухмерная проекция и глубина введения. Вкладка делится на несколько областей. Основные элементы управления: кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла позвоночника 195, кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла первого позвонка 196, кнопка включения / выключения отображения первого позвонка 197, окно отображения виртуальной сцены 198, поле выбора активного позвонка 199, поле выбора активного хирургического инструмента 210, поле вывода информации об ошибках, точности калибровки хирургического инструмента и расстояния от целевой точки и отклонения ориентации во время выполнения операции 201, кнопка запуска процесса регистрации активного позвонка 202, отметка шкалы ввода хирургического инструмента по заданной траектории, связанная с точкой входа 203, отметка шкалы ввода хирургического инструмента по заданной траектории, связанная с актуальным положением активного хирургического инструмента 204, отметка шкалы ввода хирургического инструмента по заданной траектории, связанная с целевой точкой 205, графический инструмент для оценки ориентации щупа относительно траектории расположения винта в активном позвонке 206, графический инструмент для оценки расстояния щупа от траектории расположения винта в активном позвонке 207.The intraoperative navigation tab, shown in Figure 34, is used to evaluate the position of surgical instruments in relation to the plan for the selected vertebra and to control the system during surgery. This tab schematically shows the process of positioning the transpedicular screw, a two-dimensional projection and the depth of insertion. The tab is divided into several areas. Main controls: spine DICOM file transfer function editing button 195, first vertebra DICOM file transfer function editing button 196, first vertebra display on/off button 197, virtual scene display window 198, active vertebra selection field 199, active surgical instrument selection field 210, error information output field, surgical instrument calibration accuracy and distance from the target point and orientation deviation during surgery 201, active vertebra registration process start button 202, surgical instrument insertion scale mark along the specified trajectory associated with the entry point 203, surgical instrument insertion scale mark along the specified trajectory associated with the current position of the active surgical instrument 204, surgical instrument insertion scale mark along the specified trajectory associated with the target point 205, graphical tool for estimating probe orientation relative to the screw location trajectory in the active vertebra 206, graphical tool for estimating probe distance from trajectories of screw placement in active vertebra 207.
В центральной части окна расположен инструмент для оценки положения и ориентации щупа относительно траектории расположения винта в выбранном позвонке. После выбора позвонка и используемого инструмента в данном окне будет визуально отображаться расстояние хирургического инструмента от точки траектории (по нормали), отклонение по ориентации от траектории и расстояние от целевой точки. Положение белого креста показывает отклонение хирургического инструмента от траектории по положению, положение белого креста относительно центра окна (отмеченного белым кругом) соответствует смещению хирургического инструмента относительно траектории. Красные круги показывают отклонение хирургического инструмента по ориентации и изменяют ориентацию в зависимости от величины отклонения. Шкала справа указывает положение хирургического инструмента относительно начальной и конечной точки траектории. Верхний круг соответствует точке ввода хирургического инструмента, нижний - целевой точке. При необходимости пользователь может включить отображение силомоментных данных с целью информирования хирурга во время выполнения операции.The central part of the window contains a tool for assessing the position and orientation of the probe relative to the trajectory of the screw in the selected vertebra. After selecting the vertebra and the tool used, this window will visually display the distance of the surgical instrument from the trajectory point (along the normal), the deviation in orientation from the trajectory, and the distance from the target point. The position of the white cross shows the deviation of the surgical instrument from the trajectory in position, the position of the white cross relative to the center of the window (marked with a white circle) corresponds to the displacement of the surgical instrument relative to the trajectory. The red circles show the deviation of the surgical instrument in orientation and change orientation depending on the magnitude of the deviation. The scale on the right indicates the position of the surgical instrument relative to the start and end points of the trajectory. The upper circle corresponds to the point of insertion of the surgical instrument, the lower one - to the target point. If necessary, the user can enable the display of force and torque data in order to inform the surgeon during the operation.
После выбора хирургического инструмента пользователю доступна функция калибровки хирургического инструмента. Для выполнения калибровки пользователь должен поместить концевую точку хирургического инструмента в специальный паз на поверхности референсного крепления, далее выполнить вращение вокруг концевой точки узла измерения хода так, чтобы маркеры на референсном крепление и узле измерения хода были в поле видимости камер стереофотограмметрической системы. Положение камер системы навигации можно менять во время калибровки, так как она определяет положение групп маркеров относительно крепления, а не относительно самих камер. После завершения регистрации в поле вывода информации будет выведена информация о результате и значение погрешности.After selecting a surgical instrument, the user has access to the surgical instrument calibration function. To perform calibration, the user must place the end point of the surgical instrument in a special groove on the surface of the reference mount, then rotate around the end point of the stroke measurement unit so that the markers on the reference mount and the stroke measurement unit are in the field of view of the stereophotogrammetric system cameras. The position of the navigation system cameras can be changed during calibration, since it determines the position of the marker groups relative to the mount, and not relative to the cameras themselves. After registration is complete, the information about the result and the error value will be displayed in the information output field.
Пользовательский интерфейс информационного программного модуля для анализа хода проведения хирургической манипуляции по вкручиванию транспедикулярных винтов, графически визуализирующий врачу информацию о ходе данного процесса на экран представлен на фигуре 35. Интерфейс включает в себя меню с выбором параметров проводимой хирургической манипуляции 208 задаваемых автоматически или в ручном режиме, меню управления для подключения и проведения дополнительных функций по записи и обработке данных о ходе проведения хирургических манипуляций 209. Основными частями интерфейса являются окно вывода данных в численном виде 210, представляющий хирургу численные значения текущих показаний крутящего момента и глубины захода хирургического инструмента в тело позвонка, и окно вывода графической информации о ходе проведения хирургической манипуляции 211, представляющая собой зависимость крутящего момента от глубины захода медицинского инструмента и рассчитываемую среднюю линию тренда изменения данной зависимости.The user interface of the information software module for analyzing the progress of the surgical manipulation of screwing in transpedicular screws, graphically visualizing information on the progress of this process to the doctor on the screen, is shown in Figure 35. The interface includes a menu with a choice of parameters of the surgical manipulation being performed 208 set automatically or manually, a control menu for connecting and performing additional functions for recording and processing data on the progress of the surgical manipulation 209. The main parts of the interface are a window for outputting data in numerical form 210, which presents to the surgeon the numerical values of the current readings of the torque and the depth of entry of the surgical instrument into the vertebral body, and a window for outputting graphic information on the progress of the surgical manipulation 211, which represents the dependence of the torque on the depth of entry of the medical instrument and the calculated average trend line of the change in this dependence.
Claims (5)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2023136131A RU2023136131A (en) | 2025-06-30 |
| RU2844250C2 true RU2844250C2 (en) | 2025-07-28 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2715684C1 (en) * | 2019-03-27 | 2020-03-02 | Общество с ограниченной ответственностью "МРОБОТИКС" (ООО "МРОБОТИКС") | Self-contained mobile module of robotic surgical instrument |
| RU2720830C1 (en) * | 2020-03-19 | 2020-05-13 | Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд | Assisting surgical complex |
| US20210052298A1 (en) * | 2015-09-04 | 2021-02-25 | Medos International Sarl | Multi-shield spinal access system |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210052298A1 (en) * | 2015-09-04 | 2021-02-25 | Medos International Sarl | Multi-shield spinal access system |
| RU2715684C1 (en) * | 2019-03-27 | 2020-03-02 | Общество с ограниченной ответственностью "МРОБОТИКС" (ООО "МРОБОТИКС") | Self-contained mobile module of robotic surgical instrument |
| RU2720830C1 (en) * | 2020-03-19 | 2020-05-13 | Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд | Assisting surgical complex |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Климов Д.Д. и др. Медицинская робототехника для нейрохирургии // Вестник МГТУ Станкин. - 2019. - N. 1. - С. 32-37. Ball T. et al. Robotic applications in cranial neurosurgery: current and future // Operative Neurosurgery. - 2021. - Т. 21. - N. 6. - С. 371-379. de Oliveira Faria C. A. Development of a Robotic System to Assist Neurosurgeons in Minimally Invasive Stereotactic Procedures : дис. - Universidade do Minho (Portugal), 2020. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP4054468B1 (en) | Robotic positioning of a device | |
| JP6905036B2 (en) | Drill Guide Fixtures, Cranial Insert Fixtures, and Related Methods and Robot Systems | |
| JP6770599B2 (en) | Surgical robot automation with tracking markers to control tool advance | |
| US8781630B2 (en) | Imaging platform to provide integrated navigation capabilities for surgical guidance | |
| CN113229938B (en) | Surgical robots for positioning surgery | |
| EP3125759B1 (en) | Computer aided surgical navigation and planning in implantology | |
| US11357581B2 (en) | Method for using a physical object to manipulate a corresponding virtual object in a virtual environment, and associated apparatus and computer program product | |
| EP2231051B1 (en) | Medical robotic system with functionality to determine and display a distance indicated by movement of a tool robotically manipulated by an operator | |
| EP3482694B1 (en) | Surgical robotic system with retractor | |
| US20220160428A1 (en) | Methods for robotic assistance and navigation in spinal surgery and related systems | |
| CN112043382A (en) | Surgical navigation system and use method thereof | |
| US20130066334A1 (en) | Axial Surgical Trajectory Guide | |
| CN117064557B (en) | Surgical robot for orthopedic surgery | |
| JP6970154B2 (en) | Surgical robot automation with tracking markers | |
| US20130066232A1 (en) | Axial Surgical Trajectory Guide | |
| Korb et al. | Development and first patient trial of a surgical robot for complex trajectory milling | |
| JP2021126521A (en) | Systems and methods for determining the optimal 3D position and orientation of an imaging device for imaging a patient's bone | |
| CN112869856B (en) | Two-dimensional image-guided intramedullary needle distal locking robotic system and locking method | |
| JP2021003552A (en) | Surgical robotic automation with tracking markers | |
| JP7082090B2 (en) | How to tune virtual implants and related surgical navigation systems | |
| JP7029932B2 (en) | Systems and methods for measuring the depth of instruments | |
| RU2844250C2 (en) | Robotic medical system for performing neurosurgical operations on spine | |
| Kronreif et al. | Evaluation of robotic assistance in neurosurgical applications | |
| Liu et al. | Neuromaster: a robot system for neurosurgery | |
| RU2833780C1 (en) | Expert system based on medical manipulation robot for transpedicular spinal fixation |