RU2844250C2 - Роботизированная медицинская система для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к роботизированной медицинской системе для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике, вращательному фиксирующему узлу, фиксирующему манипулятору с ручным принципом перемещения, набору хирургических инструментов с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы и способу навигации рабочего органа роботизированной медицинской системы. Роботизированная медицинская система состоит из вращательного фиксирующего узла, фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения и набора хирургических инструментов с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы. Вращательный фиксирующий узел выполнен с возможностью фиксации своего выходного звена с подвижным рельсовым основанием фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения и имеет автоматически управляемый тормоз и ручной стопорный эксцентриковый зажим, выполненный с возможностью приведения в действие с помощью механической съемной ручки. Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения состоит из четырех последовательно соединенных между собой при помощи звеньев вращательных фиксирующих узлов семи базирующих отверстий в форме конуса, четырех резьбовых отверстий и разрезного упругого зажима. Набор состоит из хирургического беспроводного устройства, креплений с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы. В способе выполняют предоперационное планирование траекторий ввода транспедикулярных винтов и выполняют привязку 3D моделей позвонков к фактическому положению позвонков в пространстве. В способе инициализируют ось рабочего органа игловым щупом и осуществляют установку беспроводного хирургического устройства с рабочим органом при помощи разрезного упругого зажима. В способе осуществляют процесс получения информации о ходе выполняемой хирургической манипуляции и осуществляют интраоперационную навигацию хирургических инструментов при помощи объемной мишени, визуализирующей координаты положения концевой точки хирургических инструментов с креплениями, имеющими сферические маркеры стереофотограмметрической измерительной системы. Техническим результатом является возможность осуществлять навигацию хирургических инструментов при помощи рабочего органа, установленного на фиксирующем манипуляторе с ручным принципом перемещения, и стереофотограмметрической системы в соответствии с предлагаемым способом. 5 н.п. ф-лы, 38 ил.

Description

Область техники

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.

Уровень техники

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.

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.

Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на вращательные электромеханические узлы манипуляторов:

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.

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.

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.

Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты манипуляторов для применения в хирургии:

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.

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.

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.

Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на системы управления манипуляторов:

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.

Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на хирургические инструменты с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы:

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.

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.

Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на рабочие органы для использования в хирургии с креплением к манипулятору:

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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.

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.

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.

Среди состава компонентов роботизированных медицинских систем известны патенты на роботизированные медицинские системы для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике:

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.

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.

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.

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.

Раскрытие сущности изобретения

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.

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.

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.

Краткое описание чертежей

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.

На фиг. 1 представлен общий вид операционной, в которой размещена роботизированная медицинская система для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике.

На фиг. 2 представлена конструкция и основные компоненты фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения на базе вращательных фиксирующих узлов с функцией двухэтапного регулируемого останова.

На фиг. 3А представлен общий вид вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова первой оси.

На фиг. 3Б представлен общий вид вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова второй оси.

На фиг. 3В представлен общий вид вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова третьей оси.

На фиг. 3Г представлен общий вид вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова четвертой оси.

На фиг. 4 представлен общий вид конструкции подъемного механизма и оси первого звена.

На фиг. 5 представлен общий вид конструкции звена второй оси.

На фиг. 6 представлен общий вид конструкции звена третьей оси.

На фиг. 7 представлен общий вид конструкции звена четвертой оси.

На фиг. 8 представлен общий вид конструкции рабочего органа роботизированной медицинской системы с разрезным упругим зажимом.

На фиг. 9 представлен общий вид конструкции рабочего органа роботизированной медицинской системы с встроенным бтикомпонентным силомоментным датчиком.

На фиг. 10 представлен внешний вид стойки системы управления роботизированной медицинской системой на базе элемента перераспределения питания между автоматически управляемыми тормозами.

На фиг. 11 представлена схема электронных блоков системы управления.

На фиг. 12 представлена схема системы управления электронного блока перераспределения питания.

На фиг. 13 представлен набор хирургических инструментов с интегрированными сферическими маркерами.

На фиг. 14 представлена конструкция иглового щупа с интегрированными сферическими маркерами.

На фиг. 15 представлена конструкция упругого зажима с интегрированными сферическими маркерами.

На фиг. 16 представлены детали для калибровки ориентации хирургических инструментов и способ их применения.

На фиг. 17 представлена вкладка редактирования данных пациента информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы.

На фиг. 18 представлены изображения модели пациента, с применением различных моделей освещения для позвонков (слева - только цвет, справа - освещение по Фонгу).

На фиг. 19 представлена вкладка планирования траектории введения винта в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.

На фиг. 20 представлена вкладка планирования траектории введения винта с дополнительными элементами управления в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.

На фиг. 21 представлена вкладка подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.

На фиг. 22 представлена вкладка проведения калибровки и проверки положения кончика хирургического инструмента в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.

На фиг. 23 представлена вкладка проведения калибровки и проверки ориентации оси хирургического инструмента в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.

На фиг. 24 представлена вкладка виртуальной сцены в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.

На фиг. 25 представлен способ применения иглового щупа для привязки к позвонку пациента.

На фиг. 26 представлен алгоритм применения иглового щупа для привязки к позвонку пациента.

На фиг. 27 представлен алгоритм сведения измеренных точек позвонка с поверхностями его трехмерной модели.

На фиг. 28 представлен способ привязки рабочего органа роботизированной медицинской системы.

На фит. 29 представлен алгоритм применения иглового щупа для привязки рабочего органа роботизированной медицинской системы.

На фиг. 30 представлен способ наведения оси рабочего органа роботизированной медицинской системы на запланированную траекторию введения хирургических инструментов в позвонок пациента.

На фиг. 31 представлен график перемещение звена фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения на заданный угол.

На фиг. 32 представлен способ применения хирургического беспроводного устройства с хирургическим инструментом, установка в рабочий орган хирургического беспроводного устройства при помощи разрезного зажима.

На фиг. 33 представлен процесс получения информации о ходе выполняемой хирургической манипуляций для последующего представления этой информации врачу для интраоперационного анализа.

На фиг. 34 представлена вкладка интраоперационной навигации в информационном программном обеспечении роботизированной медицинской системы.

На фиг. 35 представлен анализа хода проведения хирургической манипуляции по вкручиванию транспедикулярных винтов, графически визуализирующий врачу информацию о ходе данного процесса на экран.

Обозначения

1 Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения

2 Рабочий орган

3 Стереофотограмметрическая система

4 Система управления

5 Набор хирургических инструментов

6 Пациент

7 Операционный стол

8 Хирург

9 Подвижное рельсовое основание фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения

10 Первый фланец

11 Автоматически управляемый тормоз

12 Вал вращательного фиксирующего узла торможения

13 Плита автоматически управляемого тормоза

14 Автоматически управляемый тормоз

15 Корпус вращательного фиксирующего узла с функцией двухэтапного регулируемого останова

16 Регулировочная гайка

17 Проушина эксцентрика

18 Эксцентрик

19 Рукоять эксцентрика

20 Переходник на поворотную рукоятку эксцентрика

21 Стерильный чехол фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения

22 Запирающий элемент ручки

23 Муфта

24 Пружина сжатия

25 Металлический шарик

26 Конический упорный подшипник

27 Переходной фланец

28 Цилиндрическая деталь с окном

29 Упорный шариковый подшипник

30 Крышка подшипников вращательного фиксирующего узла первой оси

31 Корпус подъемного механизма

32 Выходной фланец фиксирующего вращательного узла первой оси

33 Крышка корпуса подьемного механизма

34 Ходовой винт

35 Цилиндрическая направляющая

36 Ходовая платформа

37 Опора направляющей

38 Опора с подшипниками

39 Трапецеидальная гайка

40 Шариковая втулка с фланцем

41 Маховик

42 Ручка маховика

43 Нижнего элемента ходового цилиндра

44 Верхний элемент ходового цилиндра

45 Стопорный винт

46 Корпусной элемент фиксирующего звена второй оси

47 Угловое ребро жесткости

48 Крышка элемента фиксирующего звена второй оси

49 Крышка подшипников вращательного фиксирующего узла второй оси

50 Плита звена третьей оси

51 Выходной фланец вращательного фиксирующего узла второй оси

52 Корпус звена третьей оси

53 Крепежная пластина для установки вращательного фиксирующего узла

54 Крепежная пластина для установки автоматически управляемого тормоза

55 Крышка подшипников фиксирующего вращательного фиксирующего узла третьей оси

56 Вспомогательный вал

57 Плита звена четвертой оси

58 Выходной фланец фиксирующего вращательного фиксирующего узла третьей оси

59 Лицевая крепежная пластина

60 Торцевая крепежная пластина

61 Крышка подшипников вращательного фиксирующего узла четвертой оси

62 Выходной фланец вращательного фиксирующего узла четвертой оси

63 Силомоментный датчик

64 Фланец рабочего органа

65 Шаровый шарнир

66 Флажковый механизм зажатия

67 Переходная площадка

68 Разрезной упругий зажим

69 Втулка рабочего хирургического инструмента

70 Винт для регулировки зазора

71 Крепление со сферическими маркерами

72 Зажим крепления

73 Манипуляционная ручка

74 Переходная пластина датчика к фиксирующему манипулятору с ручным принципом перемещения

75 Переходная пластина датчика к рабочему органу

76 Игловой щуп

77 Управляющий компьютер

78 Электронный блок перераспределения питания

79 Блок розеток

80 Стойка

81 Внешняя сеть питания

82 Локальная сеть Ethernet

83 Интерфейсные устройства

84 Внешняя сеть питания

85 Электронный блок преобразователь входных напряжений

86 Электронный блок питания одноплатного компьютера

87 Внешнее управляющее устройство

88 Одноплатный компьютер

89 Динамик

90 Сопрягающий электронный блок индикации

91 Электронные блоки индикации

92 Электронный блок подачи аналоговых сигналов

93 Матричный коммутатор силовых линий

94 Электронный блок преобразователь низких напряжений

95 Метчик для проведения хирургических манипуляций по транспедикулярной фиксации позвоночника.

96 Шило для проведения хирургических манипуляций по транспедикулярной фиксации позвоночника.

97 Транспедикулярная отвертка с транспедикулярным винтом для проведения хирургических манипуляций по транспедикулярной фиксации позвоночника.

98 Основа зажимного крепления метчика и шила, для фиксации крепления со сферическими маркерами.

99 Зажим крепления метчика и шила, для фиксации крепления со сферическими маркерами.

100 Основа зажимного крепления транспедикулярной отвертки, для фиксации крепления со сферическими маркерами.

101 Зажим крепления транспедикулярной отвертки, для фиксации крепления со сферическими маркерами.

102 Неподвижное крепление со сферическими маркерами.

103 Винты для установки фиксатора крепления со сферическими маркерами.

104 Гайки для установки фиксатора крепления со сферическими маркерами.

105 Винт для фиксации крепления со сферическими маркерами.

106 Ручка иглового щупа.

107 Крепление иглового щупа.

108 Зажимной винт иглового щупа.

109 Винт для фиксации крепления со сферическими маркерами на игловом щупе.

110 Одноразовая медицинская игла.

111 Упругий зажим.

112 Ручки упругого зажима.

113 Специальное крепление со сферическими маркерами для упругого зажима.

114 Винты для специального крепления к упругому зажиму.

115 Гайки для специального крепления к упругому зажиму.

116 Трапецеидальная призма для калибровки ориентации ручного хирургического инструмента.

117 Параллелепипед с нормированными отверстиями для калибровки ориентации хирургического сверла.

118 Референсное (неподвижное) крепление со сферическими маркерами.

119 Хирургическое сверло, для применения вместе с хирургической дрелью.

120 Винты для фиксации калибровочной детали к референсному креплению.

121 Гайки для фиксации калибровочной детали к референсному креплению.

122 Крепление со сферическими маркерами на рабочем органе.

123 Специальное крепление со сферическими маркерами на позвонке пациента.

124 Входная точка оси рабочего органа роботизированной медицинской системы

125 Выходная точка оси рабочего органа роботизированной медицинской системы

126 Точка входа хирургического инструмента в позвонок

127 Целевая точка для введения траснпедикулярного винта в теле позвонка

128 Нажатие на кнопку начала процесса привязки позвонка в интерфейсе управления

129 Звуковой сигнал о начале процесса сбора координат точек позвонка

130 Перемещение кончика медицинской иглы, установленной на игловом щупе, в заранее запланированную область поверхности позвонка

131 Проверка расстояние до предыдущей записанной точки

132 Проверка неподвижности кончика иглы в течении двух секунд

133 Звуковой сигнал об успешной записи координат текущей точки поверхности позвонка

134 Счетчик точек и поверхностей

135 Звуковой сигнал об успешной записи координат всех точек на текущей поверхности

136 Проверка соответствия количества записанных точек запланированному

137 Звуковой сигнал об успешном завершении процесса сбора координат точек поверхностей позвонка

138 Сведение положения и ориентации реального позвонка и его 3D модели

139 Проверка результатов привязки

140 Нажатие на кнопку начала процесса привязки рабочего органа в интерфейсе управления

141 Звуковой сигнал о начале процесса привязки рабочего органа

142 Перемещение кончика медицинской иглы, установленной на игловом щупе, в калибровочную лунку на поверхности рабочего органа

143 Звуковой сигнал об успешной записи координат текущей точки на поверхности рабочего органа

144 Звуковой сигнал об успешном завершении процесса сбора координат точек поверхности рабочего органа

145 Расчет ориентации оси рабочего органа медицинского манипуляционного робота в информационном программном обеспечении с выводом данных в интерфейс управления

146 Хирургическое беспроводное устройство

147 Лог файл с данными

148 Интерфейс информационного программного обеспечения

149 Поле ввода ФИО пациента

150 Кнопка загрузки данных сессии (если пациент есть в базе пациентов (БП)) или создания нового пациента

151 Кнопка сохранения данных активной сессии в базе пациентов (БП);

152 Кнопка центрирования камеры правого вида на центре загруженного DICOM-файла

153 Путь к каталогу, содержащему DICOM-файл с изображением позвоночника

154 Кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла позвоночника

155 Элементы управления размерами отображаемого DICOM-файла позвоночника

156 Наименование первого позвонка

157 Путь к STL-файлу модели первого позвонка

158 Путь к каталогу, содержащему DICOM-файл с изображением первого позвонка

159 Кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла первого позвонка

160 Визуализация всех DICOM-файлов, относящихся к пациенту

161 Переход на предыдущую вкладку

162 Переход на следующую вкладку

163 Вкладка с логами информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы

164 Вкладка подключений информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы

165 Вкладка данных пациента информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы

166 Вкладка планирования операции информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы

167 Вкладка подготовка поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы

168 Вкладка виртуальной сцены информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы

169 Вкладка интраоперационной навигации информационного программного обеспечения роботизированной медицинской системы

170 Комбинированный список, служащий для выбора активного позвонка

171 Кнопка "Focus view" - позволяет сбросить положение камер, расположив позвонки в центре видов

172 DicomTF - редактор передаточной функции для трехмерной воксельной модели позвонка.

173 SliceTF - редактор передаточной функции для двухмерной проекции позвонка на плоскость среза

174 SlicePosition - редактор точки центра пространственного положения плоскости среза.

175 SliceNormal - редактор вектора нормали плоскости среза.

176 Control points visible - позволяет скрывать / показывать элементы управления для точек траектории

177 Middle point visible - позволяет скрывать / показывать элемент управления для всей средней точки траектории

178 Show screw - позволяет скрывать / показывать 3D модель винта

179 Point in - координаты начальной точки траектории введения винта

180 Point target - координаты конечной точки траектории введения винта

181 Screw position - смещение винта, относительно целевой точки первого винта

182 Screw position - смещение винта, относительно целевой точки второго винта

183 Save Plan - позволяет сохранить план

184 Окно визуализации с разрезом в фронтальной плоскости

185 Окно визуализации в горизонтальной области проекции

186 Ползунок управления глубиной среза окна визуализации в горизонтальной области проекции

187 3D модель винта

188 Меню выбора позвонка во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения

189 Кнопка «Add/Rem» переключения режима добавления или удаления поверхности во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения

190 Панель действия для настройки цветовой индикации поверхностей во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения

191 Кнопка «Clear surface», служащая для удаления всех отмеченных поверхностей во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения

192 Кнопка «Save», служащая для сохранения данных размеченных областей

193 3D курсор для разметки поверхностей на 3D модели позвонка во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения

194 3D модель позвонка во вкладке подготовки поверхностей 3D модели позвонка для привязки информационного программного обеспечения

195 Кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла позвоночника

196 Кнопка редактирования передаточной функции для DICOM-файла первого позвонка

197 Кнопка включения / выключения отображения первого позвонка

198 Окно отображения виртуальной сцены

199 Поле выбора активного позвонка

200 Поле выбора активного хирургического инструмента

201 Поле вывода информации о погрешности калибровки хирургического инструмента и расстояния от целевой точки и отклонения ориентации во время выполнения операции

202 Кнопка запуска процесса регистрации активного позвонка

203 Отметка шкалы ввода хирургического инструмента по заданной траектории, связанная с точкой входа

204 Отметка шкалы ввода хирургического инструмента по заданной траектории, связанная с актуальным положением активного хирургического инструмента

205 Отметка шкалы ввода хирургического инструмента по заданной траектории, связанная с целевой точкой

206 Графический инструмент для оценки ориентации иглового щупа относительно траектории расположения винта в активном позвонке

207 Графический инструмент для оценки расстояния иглового щупа от траектории расположения винта в активном позвонке

208 Меню выбора параметров манипуляции

209 Меню управления информационным программным модулем

210 Данные о ходе проведения хирургической манипуляции в числовом виде

211 Данные о ходе проведения хирургической манипуляции в графическом виде

Осуществление изобретения

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.

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.

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.

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.

Узел первой оси (фиг. 3А) конструктивно расположен внутри конструкции, а остальные вращательные фиксирующие узлы (фиг. 3Б-Г) устанавливаются непосредственно в ответные пластины.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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;

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;

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;

4) Способа осуществления двухэтапного регулируемого останова ручного фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения 1 по заданному направлению;

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;

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;

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Наборы поверхностей представлены списком из поверхностей. Каждая поверхность описывается списком треугольников. Каждый треугольник, в свою очередь, представлен тройкой векторов.

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.

Работу алгоритма можно разделить на несколько этапов. На первом этапе происходит предварительная подготовка данных. Производится нахождение центра наборов точек

:

где:

• n - суммарное число точек во всех группах точек;

• - положение i-той точки.

Помимо этого производится нахождение центра параллельного осям ограничивающего поверхности параллелепипеда :

где:

• А - индекс составляющей вектора, принимает значение X, Y или Z;

• - наибольшее значение А составляющей векторов поверхностей;

• - наименьшее значение А составляющей векторов поверхностей.

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:

где:

• n - суммарное число точек во всех группах точек;

• D_i(s) - оценка отклонения, которая задается как:

где min(T_ij(s)) - минимум квадрата расстояния от i-той точки до соответствующей

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:

где - дельта-вектор между i-той точкой и ближайшей к ней точкой на поверхности j-того треугольника.

Положение i-той точки определяется следующим образом:

где - функция преобразования точки:

где - функция поворота точки:

где F_ang(s) - модуль вектора, содержащего углы поворота представления ось-угол для функции поворота точки , a F_ax(s)- нормированный модуль вектора, содержащего координаты оси представления ось-угол для функции поворота точки :

Поиск оптимального значения s производится с помощью численного поискового алгоритма Нелдера-Мида. В качестве начальных параметров для поиска используются автоматически генерируемые значения s:

Полученные после работы алгоритма Нелдера-Мида оптимальные значения s используются для последующего расчета выходных параметров. Значения х, у и z определяются как:

где F_inv определена как

Значения a, b и с определяются следующим образом:

где:

Полученные значения х, у, z, a, b и с могут быть использованы для определения положения позвонка относительно опорного референсного крепления 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (5)

1. Роботизированная медицинская система для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике, состоящая из вращательного фиксирующего узла по п. 2, выполненного с возможностью фиксации своего выходного звена с подвижным рельсовым основанием фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения, имеющего первый автоматически управляемый тормоз, выполненный с возможностью управления с помощью подключения постоянного электрического тока и с возможностью регулировки величины постоянного электрического тока для торможения выходного звена от ручного вращения с величиной момента торможения до 2,5 Н*м, и ручной стопорный эксцентриковый зажим, выполненный с возможностью приведения в действие с помощью механической съемной ручки для осуществления фиксации выходного звена с величиной нагрузки по моменту торможения до 150 Н*м, фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения по п. 3, состоящего из четырех последовательно соединенных между собой при помощи звеньев вращательных фиксирующих узлов, выполненных с возможностью фиксации своего выходного звена с подвижным рельсовым основанием фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения, имеющего поворотную рукоятку эксцентрика, выполненную с возможностью изменения высоты для расположения рабочего органа в диапазоне от 243 мм и до 338 мм относительно рельсового основания фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения над пациентом с толщиной торса в диапазоне от 140 мм до 240 мм, при этом третий вращательный фиксирующий узел от подвижного рельсового основания фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения имеет второй автоматически управляемый тормоз, выполненный с возможностью увеличения момента торможения выходного звена третьего вращательного фиксирующего узла от ручного вращения до 5 Н*м; системы управления фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения; рабочего органа, состоящего из шестикомпонентного датчика, выполненного с возможностью определения сил и моментов, возникающих при взаимодействии хирургических инструментов с оперируемыми тканями позвоночника; семи базирующих отверстий в форме конуса; разрезного упругого зажима, набора хирургических инструментов с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы по п. 4, состоящего из хирургического беспроводного устройства; креплений с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы для хирургических инструментов в виде иглового щупа и разрезного упругого зажима, выполненных с возможностью осуществления привязки 3D модели позвонка к фактическому положению позвонка; креплений с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы для набора инструментов к хирургическому беспроводному устройству в виде нейрохирургического шила, транспедикулярного метчика и транспедикуярной отвертки с винтом; параллелепипеда с отверстиями под нейрохирургическое сверло и трапецеидальной призмы под нейрохирургическое шило, транспедикулярный ментчик и транспедикулярную отвертку с винтом для калибровки параметров ориентации хирургических инструментов в 3D пространстве роботизированной медицинской системы.

2. Вращательный фиксирующий узел, выполненный с возможностью фиксации своего выходного звена с подвижным рельсовым основанием фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения, имеющий первый автоматически управляемый тормоз, выполненный с возможностью управления с помощью подключения постоянного электрического тока и с возможностью регулировки величины постоянного электрического тока для торможения выходного звена от ручного вращения с величиной момента торможения до 2,5 Н*м, и ручной стопорный эксцентриковый зажим, выполненный с возможностью приведения в действие с помощью механической съемной ручки для осуществления фиксации выходного звена с величиной нагрузки по моменту торможения до 150 Н*м.

3. Фиксирующий манипулятор с ручным принципом перемещения, состоящий из четырех последовательно соединенных между собой при помощи звеньев вращательных фиксирующих узлов, выполненных с возможностью фиксации своего выходного звена с подвижным рельсовым основанием фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения, имеющего поворотную рукоятку эксцентрика, выполненную с возможностью изменения высоты для расположения рабочего органа в диапазоне от 243 мм до 338 мм относительно рельсового основания фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения над пациентом с толщиной торса в диапазоне от 140 мм до 240 мм, при этом третий вращательный фиксирующий узел от подвижного рельсового основания фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения имеет второй автоматически управляемый тормоз, выполненный с возможностью увеличения момента торможения выходного звена третьего вращательного фиксирующего узла от ручного вращения до 5 Н*м; системы управления фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения, выполненной с возможностью переключения питания между четырьмя вращательными фиксирующими узлами и с возможностью осуществления выбора вращательного фиксирующего узла для освобождения от фиксации при помощи элемента перераспределения питания и осуществления ручного перемещения; рабочего органа, состоящего из шестикомпонентного датчика, выполненного с возможностью определения сил и моментов, возникающих при взаимодействии хирургических инструментов с оперируемыми тканями позвоночника; семи базирующих отверстий в форме конуса, выполненных с возможностью осуществления привязки математической оси для направления хода хирургических инструментов рабочего органа к ее действительному местоположению математической оси для направления хода хирургических инструментов рабочего органа в пространстве рабочей зоны фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения при помощи иглового щупа, четырех резьбовых отверстий, выполненных с возможностью установки положения манипуляционной для перемещения звеньев фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения; разрезного упругого зажима, выполненного с возможностью использования в качестве направляющей и с возможностью осуществления зажатия втулок, установленных на хирургических инструментах рабочего органа.

4. Набор хирургических инструментов с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы, состоящий из хирургического беспроводного устройства, выполненного с возможностью сбора интраоперационных данных о силах и моментах, возникающих при взаимодействии хирургических инструментов с оперируемыми тканями позвоночника; креплений с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы для хирургических инструментов в виде иглового щупа и разрезного упругого зажима, выполненных с возможностью осуществления привязки 3D модели позвонка к фактическому положению позвонка, креплений с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы для набора инструментов к хирургическому беспроводному устройству в виде нейрохирургического шила, транспедикулярного метчика и транспедикулярной отвертки с винтом: 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.

5. Способ навигации рабочего органа роботизированной медицинской системы для проведения нейрохирургических операций на позвоночнике по п. 1, состоящей из вращательных фиксирующих узлов по п. 2, фиксирующего манипулятора с ручным принципом перемещения по п. 3 и набора хирургических инструментов с интегрированными сферическими маркерами стереофотограмметрической измерительной системы по п. 4, в котором выполняют предоперационное планирование 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; выполняют привязку 3D моделей позвонков к фактическому положению позвонков в пространстве, осуществляемую при помощи измерения координат сферических маркеров стереофотограмметрической измерительной системой на игловом щупе и определения при помощи наконечника иглы иглового щупа набора поверхностей позвонков в соответствии с алгоритмом привязки; инициализируют ось рабочего органа игловым щупом для определения хода проведения хирургических манипуляций и траекторию ввода хирургических инструментов в роботизированной медицинской системе по п. 1; осуществляют установку беспроводного хирургического устройства с рабочим органом при помощи разрезного упругого зажима; осуществляют процесс получения информации о ходе выполняемой хирургической манипуляции для последующего представления о ходе выполняемой хирургической манипуляций врачу для интраоперационного анализа, и осуществляют интраоперационную навигацию хирургических инструментов при помощи объемной мишени, визуализирующей координаты положения концевой точки хирургических инструментов с креплениями, имеющими сферические маркеры стереофотограмметрической измерительной системы.