[go: up one dir, main page]

WO2021173044A1 - Method for controlling a camera in a robotic surgical system - Google Patents

Method for controlling a camera in a robotic surgical system Download PDF

Info

Publication number
WO2021173044A1
WO2021173044A1 PCT/RU2021/050047 RU2021050047W WO2021173044A1 WO 2021173044 A1 WO2021173044 A1 WO 2021173044A1 RU 2021050047 W RU2021050047 W RU 2021050047W WO 2021173044 A1 WO2021173044 A1 WO 2021173044A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
camera
manipulator
movement
control
surgeon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2021/050047
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Юрьевич ПУШКАРЬ
Рахим Суфьянович НАХУШЕВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Assisted Surgical Technologies Ast Ltd
Original Assignee
Assisted Surgical Technologies Ast Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Assisted Surgical Technologies Ast Ltd filed Critical Assisted Surgical Technologies Ast Ltd
Publication of WO2021173044A1 publication Critical patent/WO2021173044A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30Surgical robots
    • A61B34/37Leader-follower robots
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02Sensing devices
    • B25J19/04Viewing devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1602Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B25J9/1605Simulation of manipulator lay-out, design, modelling of manipulator

Definitions

  • the invention relates to assisting surgical systems for minimally invasive surgical operations. More specifically, the invention relates to a method for controlling a camera in an operator controller compensation system for controlling a robotic surgical system.
  • the invention can be used in various fields where it is necessary to visually interact with the working field located in a place that is difficult for the operator to access: medical robotics, industrial manipulators, interaction with objects in environments that are dangerous for the operator's life, and more.
  • the robotic surgical system is a complex consisting of three main units, shown in figure 1.
  • the complex consists of a master device 100, a control system 200 and an actuator 300.
  • Controllers 100 act as a master device, with which the surgeon directly interacts - mechanisms, acting with his hands on which, the surgeon generates at least three translational and three rotational movements sufficient for carrying out a robotic surgery.
  • Actuators 300 are manipulators 310, 320, on which surgical instruments 400 and an endoscopic camera 500 are attached, which makes it possible to transmit an image of the operating field.
  • a three-dimensional imaging system is used, which transmits the image from a stereoscopic camera to a 3D screen located in front of the surgeon, with the effect of real depth.
  • the interaction of all devices of the complex is carried out using the control system 200, which is the central node of the system.
  • Endoscopic cameras as applied to robotic surgery provide stereoscopic visualization and are one of the important units of the robot-assisting complex, since they provide the transmission of an image of the operating field to the operating surgeon.
  • special attention is paid to the convenience of camera control, in particular, the intuitive interaction of the surgeon with the actuator.
  • Robotic surgery compares favorably with laparoscopy in that the camera is controlled directly by the operating surgeon (in laparoscopy, an assistant is often involved for this function).
  • the controller can, at the command of the surgeon, control either a manipulator with an instrument or a manipulator with a camera. In this case, the surgeon only needs to switch the controller from instrument control to camera control using the foot pedal.
  • the main problem in camera control is that it operates in a spherical coordinate system, and the controllers that control it operate in a Cartesian coordinate system. If during the operation it is necessary to maintain a constant size and maintain the selected scale of the operating field, then when the camera is rotated, it is necessary to perform its additional compensating movement along the axis of the direction of vision: approaching or moving away, depending on which direction the camera is turned. Traditionally, this procedure has to be performed by a surgeon.
  • the selected methods and methods of controlling the camera transmitting the stereo image to the operator are important and sometimes decisive for the operation of the robot-assitant complex as a whole. This is primarily due to the need to implement a compensation system for the operator's controller, which will programmatically implement the method of an intuitive interface for the interaction of the surgeon with the manipulator on which the endoscopic camera is attached.
  • the interaction of the surgeon with the camera is different from the control of surgical instruments. This is due to the number of degrees of freedom: to control the camera, it is sufficient to control three translational degrees of freedom, and to control the instrument, three rotational degrees of the jaws (tip) of the instrument are added to them.
  • the technical problem to be solved by the present invention is the intuitive control of the camera movement for observing the operating field without the need for mastering additional compensation skills during control, improving the quality and efficiency of robotic surgery.
  • the technical result of the present invention is to create a method of interaction of a control controller with a mechanical manipulator, which is part of a robotic surgical complex, with a camera attached to it, which makes it possible to reduce or completely remove the number of compensatory movements performed by the surgeon during control camera, thereby reducing the duration of the operation, reducing the risk of surgeon errors, as well as reducing the surgeon's fatigue based on the most intuitive camera control procedure.
  • a method for compensating for camera movements includes: providing compensation for the plane of movement of the camera manipulator; ensuring scaling of movements of the control controller; ensuring the leveling of the discrepancy between the center line of the frame and the horizon line.
  • the proposed method for controlling the movement of a manipulator with a camera attached to it must meet the following requirements:
  • the compensated manipulator movement should accurately reproduce the position of the camera in the operating area in accordance with the control commands of the surgeon's control controller.
  • the proposed method for compensating the camera movement will allow changing the position of the end of the camera in one plane depending only on the depth of immersion of the camera relative to the "zero point".
  • the introduction of additional methods to compensate for the discrepancy between the center line of the frame and the horizon line will reduce the drawbacks that arise when the field of view of the camera changes and the surgeon adapts to the result.
  • the method described below for controlling the movement of the camera manipulator by the control controller is configured to facilitate the movement of the stereo camera that visualizes the surgical area in the operating field due to the compensatory scaling of the controller movements.
  • the method involves controlling the camera in a coordinate system that is similar to the Cartesian coordinate system used to move tools.
  • the fidelity of the reproduction of the control commands is guaranteed by a mechanical manipulator to which the camera is attached, the design features of which are not considered in this application, but which guarantees at least three translational degrees of freedom for the camera.
  • the accuracy of determining the change in position, as well as the generation of control commands, is guaranteed by the control controller, which ensures the transmission of the change in position in at least three translational degrees of freedom.
  • the technical result is achieved by creating a method for controlling the movement of the camera fixed on the manipulator of the robotic surgical complex, which includes two controllers for controlling the robotic surgical complex, each of which is designed to digitize the movements of the surgeon's hands and provides the transmission of motion vectors along three translational and three rotational degrees of freedom, representing the difference between the coordinates of the control controller in the initial position and the coordinates of the controller when the position of the surgeon's hand changes, while each control controller is configured to switch to the camera control mode using the control pedal, at least one manipulator with a camera attached to it for viewing the operating field, providing its movement along three translational degrees of freedom, an automatic control system, which is connected with both controllers controlled by the surgeon, and at least one manipulator, while cn is characterized by the following steps: transfer of motion vector data along three translational and three rotational degrees
  • the scaling of the displacement vector is carried out taking into account the distance of the camera from the zero point of the camera in the local coordinate system of the camera, relative to which the position vector of the camera changes with the beginning at the point where the camera enters the hole in the patient's body and with the end that coincides with the actual position of the end of the camera.
  • Figure 1 shows a block diagram of a robot-assisting complex.
  • Figure 2 depicts a structural model of a robotic surgical system that is used for the present invention.
  • Figure 3 is a perspective view of a surgeon control controller used in the present invention.
  • Figure 4 depicts a general schematic block diagram of the operation of the surgeon control controller.
  • Figure 5 depicts the location of the local spherical coordinate system of the manipulator, originating at the "zero point”.
  • Figure 6 depicts the location of the Cartesian orthogonal coordinate system of the manipulator with the origin at the "zero point”.
  • Figure 7 depicts a simulation of the change in the position of the end of the camera when changing each coordinate separately. Changing the length of the camera relative to the "zero point”.
  • Figure 8 depicts a simulation of the change in the position of the end of the camera when changing each coordinate separately. Changing the tilt of the camera relative to the longitudinal axis.
  • Figure 9 depicts a simulation of the change in the position of the end of the camera when changing each coordinate separately. Changing the tilt of the camera relative to the transverse axis.
  • Figure 10 shows the trajectory of movement of the camera manipulator when changing the angle Q along the longitudinal axis at constant f and R.
  • the movement is carried out in a circle with a radius R.
  • Figure 11 schematically shows the relationship between movements of a surgeon control controller and movement of a camera arm in a Cartesian coordinate system.
  • Figure 11A schematically shows the movements of the surgeon's hand in the Cartesian coordinate system control controller.
  • the movement of the camera in the Cartesian coordinate system of the camera manipulator is shown in figure 11B.
  • Figure 12 shows the trajectories of the camera tip in the Cartesian coordinate system of the camera and the compensated view of this trajectory after applying the proposed camera motion compensation algorithm.
  • Figures 12A, 12B and 12B show the trajectories of the camera tip during its various movements.
  • Figure 13 depicts the movement made by the surgeon's control controller and the deviation of the frame centerline from the horizon.
  • Figure 13A shows an in-frame image at zero tilt angle of the camera arm.
  • Figure 13B shows an in-frame image at a positive tilt angle of the camera arm.
  • Figure 13B depicts the required hand movement of the operator to reconstruct the horizon line in the controller's Cartesian coordinate system.
  • Figure 14 is a schematic representation of a camera manipulator zooming algorithm.
  • Figure 15 is a schematic representation of a detailed functional diagram of a camera control.
  • Figure 16 depicts a block diagram of the operation of the automatic control system of the camera manipulator.
  • Figure 19 shows the sequence of movement of the camera manipulator without using the proposed method of compensating for camera movement (without the applied plane compensation algorithm).
  • Figure 21 shows the sequence of movement of the camera manipulator using the proposed method of compensating for camera movement (using the applied plane compensation algorithm).
  • Figure 22 shows a sequence of images along a projected trajectory without horizon compensation.
  • Figure 23 shows a sequence of images along a projected horizon compensated trajectory.
  • Figure 24 depicts an object of the operating field with applied control points (left), the image of the first control point in the frame (right).
  • Figure 25 shows the results of a series of experiments after statistical processing of data reflecting the average time for positioning the camera with and without the proposed method of controlling camera movement.
  • Figure 26 shows the results of a series of experiments after statistical processing of data reflecting the average distance of movement of the surgeon's arms during positioning. manipulator of the camera with the use of the proposed method of controlling the movement of the camera and without it.
  • robot technological complex means complex systems or complexes in surgery using a robot assistant during an operation.
  • Robot assistive systems or “robotic assisted surgical systems” are robotic systems designed to perform medical operations. These are not autonomous devices, robotic assistive systems are controlled by surgeons during the operation.
  • chatronic complex or “mechatronic system” means a complex or system with computer control of motion, which is based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science and computer control of the movement of machines and assemblies.
  • surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
  • surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
  • surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
  • surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
  • surgeon and “surgeon” in the present description of the invention are synonymous.
  • connection means functionally connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.
  • the description of exemplary embodiments of the present invention below is provided by way of example only and is intended for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the disclosed invention.
  • the present solution relates to a method for controlling the movement of a camera fixed on a mechanical manipulator of a robotic surgical complex, which allows obtaining an image of the operating field during a surgical operation.
  • the robotic surgical complex consists of three interconnected main units: a patient trolley (actuator) 300, an automatic control system 200 and a control console (driver) 100, which receives commands from a surgeon 101 to further transform them into movement of surgical instruments fixed in the manipulator or to ensure the generation of control commands from the surgeon for other units of the robotic surgical complex.
  • the stereo imaging system which includes a camera 500 for obtaining an image of the surgical field 330 and a monitor of the imaging system 130 for displaying a three-dimensional image of the surgical field obtained from the camera.
  • imaging system includes a camera 500 for obtaining an image of the surgical field 330 and a monitor of the imaging system 130 for displaying a three-dimensional image of the surgical field obtained from the camera.
  • the efficiency of the operation depends on the quality of the image obtained by the surgeon.
  • the modern development of mechatronic systems and the constant improvement of robotic surgery imposes new requirements on the developed devices of the imaging system.
  • the control console 100 is located outside the sterile zone of the surgical unit and is configured to control: manipulators 301, 302, 303 with surgical instruments attached to them; a manipulator 320 with a camera 500 attached to it; directly by the surgical instruments themselves.
  • the control involves a controller 120 operated by the surgeon's hands and pedals operated by the surgeon's feet.
  • manipulators with surgical instruments and a camera are mounted on a patient trolley, which is designed to support and position them relative to the patient.
  • the robotic surgical system can have any number of manipulators, such as one or more manipulators.
  • Figure 2 shows three manipulators 301, 302, 303, made with the ability to move in three planes and rotate in three planes, as well as the manipulator 320 of the camera 500. All manipulators indicated in the structural diagram and being part of the patient cart have general mechanical characteristics and design features.
  • Each manipulator has a casing and a manipulator connection unit, to which a surgical instrument or camera can be detachably attached, the movement and position of which the surgeon can change by manipulating / controlling using a control controller that digitizes the movement of the surgeon's hand.
  • the surgeon controller 120 allows control of surgical instruments and a camera located within a patient during surgery.
  • the control controller converts the mechanical movements of the surgeon's hand over the entire natural range of motion in six degrees of freedom to generate control commands for robotic surgical complex.
  • the surgeon's controller generates a command to move the surgical instrument. Additionally, the controller controls the turning and opening / closing of the jaw on the surgical instrument.
  • the surgeon has the ability to generate at least three translational and three rotational degrees of freedom and additionally at least one degree of freedom when closing / opening jaws, which is sufficient to control a surgical instrument during a surgical operation.
  • Pedal 110 in this application is understood as a contact switching device (mechanical or electronic) capable of switching on / off the flow of current in a circuit.
  • a pedal, button, switch, switch and the like can act as such an apparatus.
  • the pedal 110 is a footswitch that closes an electrical circuit when the surgeon depresses the pedal with his foot.
  • the pedals are designed to change the operating modes of the control controller or to switch additional functionality, for example, coagulation, laser, and the like. Footswitches allow the surgeon to control the camera, instruments, electrosurgical instruments.
  • the automatic control system 200 based on the data received from the controllers 120 and the signal from the pedals 110, generates control commands that can be directed both to the manipulators 301, 302, 303 with surgical instruments and to the camera manipulator 320.
  • Pressing and holding footswitch 110 disables controllers 120 from operating surgical instruments (from operating manipulators 301, 302, 303 with surgical instruments) and enables and allows movement of manipulator 320 with camera 500. In this mode, both controllers 120, right and left work at the same time. When the pedal 110 is released, the controllers 120 will again operate the surgical instruments.
  • the automatic control system 200 receives data on three translational and three rotational degrees of freedom from the control controller 120 and generates on their basis three translational and three rotational movements of the manipulator with a surgical instrument.
  • the camera pedal 110 When the camera pedal 110 is depressed, it is sufficient to generate three translational degrees of freedom.
  • the rotational degrees of freedom of the controllers 120 are locked.
  • the image of the area to be operated, broadcast by the stereoscopic camera 500, is available to the surgeon on the monitor 130 of the imaging system.
  • a control controller it is proposed to use a mechanical structure 600 with a parallel structure, the view of which is shown in figure 3.
  • This structure 600 allows you to provide at least three translational degrees of freedom by reciprocating movement of the mechanism along three mutually orthogonal axes indicated in figure 3, which are sufficient to control the camera arm in the composition of the robotic surgical complex.
  • the depicted controller 600 consists of at least two platforms: a fixed support 610 and a movable 620, and a parallel structure, preferably made on the basis of a delta-type mechanism (delta robot or deltapod), as well as a drive mechanism that drives into the movement of the delta robot, while ensuring minimal backlash.
  • delta-type mechanism delta robot or deltapod
  • the delta robot consists of three arms 630, located at an angle of 120 ° relative to each other and attached to the support platform 610.
  • the advantage of the delta robot design is the use of parallelograms containing rods 640 of constant length, arranged in parallel in pairs and connected to each other by means of cardan joints ...
  • the parallelograms are connected at one end by the corresponding levers 630, and at the other end are connected to the movable platform 620.
  • This design allows you to maintain the spatial orientation of the robot mechanisms.
  • the movable platform 620 is always parallel to the support platform 610.
  • the connection of the arms 630 to the support platform 610 is made through the upper bearing assemblies 650 to provide the necessary angles for the initial state of the delta robot.
  • the upper bearing assemblies 650 are fixed to a support platform 610. Mounted on the upper bearing assemblies 650, the levers 630 form an equilateral triangle at the centers of the connection, the angles of which affect the size of the useful working area of the delta robot. Increasing the length of the arm increases the Z travel. The dimensions for X and Y travel are given by parallelograms.
  • a handle is attached to the movable platform 620 of the controller 600 using any of the known methods.
  • the design of such a handle is beyond the scope of this application.
  • the use of a parallel structure provides high positioning accuracy, reduces stress on the operator's arms, increases the range of movement of the arms, and minimizes restrictions on the surgeon's ability to manipulate surgical instruments, including the camera.
  • the reproduction of commands from the control controller to the direct movement of the camera is carried out by a mechanical manipulator, which is capable of moving in at least three translational degrees of freedom and providing rotation around the longitudinal axis of the device on which the camera (endoscope) is attached.
  • a block diagram 700 of the control controller operation algorithm is shown in FIG. 4.
  • a third step of operation 730 the pedal control signal P is compared with zero to determine the operating mode of the control controller.
  • each the surgeon's control controller at a constant rate transmits the three translational and three rotational degrees of freedom data to the automatic control system (step 750).
  • Data can be represented as two different vectors:
  • packets with six coordinates are sent from the controllers to the automatic control system.
  • step 730 When you press the pedal responsible for switching to the camera manipulator control mode, if at step 730 the control signal from the pedal is different from zero, then the rotational degrees of freedom on the right and left controller are blocked (step 740), leaving the possibility only for translational movements ...
  • step 750 the pedal signal and the three translational degrees of freedom data from the controllers are passed to the automatic control system (step 750), thereby notifying the system that the camera manipulator has begun to operate.
  • a camera is broadly defined in this application as any device structurally configured to generate a stereo image when inserted into a patient's body.
  • An image of the operating field can be obtained optically using fiber optics, objectives and miniaturized imaging systems, for example, using a video endoscope (hereinafter referred to as an endoscope).
  • the camera is inserted into the body through an opening in the patient's body.
  • the entry point / plane is defined as the "zero point” since all movements of the instrument or camera in the patient's body are provided by two rotational degrees of freedom about this point and one linear degree of freedom.
  • a trocar is located at the “zero point” for additional fixation of instruments and a camera.
  • the camera has a field of view that depends on the characteristics of the camera lens. The camera transmits an image of only that part of the surgical field that fell into the field of view.
  • the camera's field of view can have an area configured to be visible to the camera at any given time.
  • the field of view moves with the camera, allowing you to visually inspect the operating area.
  • the change in the field of view also depends on the peculiarities of camera movement. In this case, the surgeon must be guaranteed unambiguity in understanding the movement of the camera and the associated movement / change of the field of view within the operating field.
  • manipulator the work of which should be guided by some features that arise due to the specifics of robotic surgery. Since surgical instruments, as well as a stereo camera are introduced into the patient's body through the holes, the trocar is inserted, the position changes are made relative to the "zero point".
  • the local coordinate system of the manipulator is described by a spherical coordinate system, in which movements are carried out by angles f, q relative to the "zero point” around the longitudinal and transverse axes, as well as the radius of the camera extension R relative to the "zero point” ... Coordinates (cp.O.R) form the manipulator's local spherical coordinate system.
  • the local coordinate system of a mechanical manipulator can be considered as a change in the camera length R, as well as tilts f, q in both directions relative to the "zero point" around the longitudinal and transverse axes. This is a sufficient set of coordinates with which you can reproduce the control commands generated for the camera manipulator.
  • the location of the local spherical coordinate system with the origin at the "zero point” is shown in figure 5.
  • Figure 5 shows the manipulator assembly to which the camera is attached by means of fastening with the possibility of changing its orientation and position.
  • the movement of the manipulator can be described in the Cartesian orthogonal coordinate system with the origin at the "zero point" (figure 6).
  • the CU plane in this case will be parallel to the plane of the lower platform of the manipulator (not shown in the drawing), and the OZ axis is perpendicular to this plane and is positively directed from the "zero point" towards the end of the stereoscopic camera.
  • Figures 7-9 show changes in the position of the end of the camera when changing each coordinate separately.
  • Figure 7 depicts the change in the length of the chamber relative to the "zero point". This coordinate in the local coordinate system is responsible for approaching or moving away from the operated work area. It is important to note that within the framework of modeling a change in position, the mechanical features of the manipulator are not considered, but attention is paid to how the position of the camera changes when a certain coordinate is changed.
  • Figure 8 reflects the change in the tilt of the camera relative to the longitudinal axis, which allows the surgeon to change the position in the operating field along the longitudinal axis in the field of view. Changing the tilt of the camera with respect to the transverse axis is shown in figure 9. This change allows the surgeon to change the position in the operating field along the transverse axis in the field of view. Thus, any position of the camera in the operating field can be unambiguously determined using these three local coordinates for the mechanical manipulator on which the camera is attached.
  • Figure 10 shows as an example the trajectory of movement of the camera manipulator (trajectory of the end of the camera) only when the angle of inclination along the longitudinal axis Q is changed, at constant values of the angle of inclination along the transverse axis and the coordinates of the camera length f and R.
  • the camera will move along the inner the surface of a sphere with a radius equal to R.
  • the controller moves in its own orthogonal Cartesian coordinate system.
  • the difference in local coordinate systems between the controller and the manipulator leads to the fact that the surgeon has to make additional movements with the controller, which, during a long operation, can lead to premature fatigue and errors when holding a given operating field. Reducing the number of movements performed by the surgeon is one of the criteria for improving the quality of the operation.
  • Figure 11A schematically shows the movements of the surgeon's hand in the Cartesian coordinate system of the control controller, which provide the necessary movement of the chamber manipulator.
  • the surgeon To move the field of view of the camera relative to the object under study, the surgeon must first move the controller in the same direction.
  • the camera manipulator moves along the inner surface of the sphere with a radius equal to the length of the stereoscopic camera from the "zero point”.
  • the movement of the camera in the Cartesian coordinate system of the camera manipulator is shown in figure 11B.
  • the surgeon must manually compensate for the distance by which the position of the camera has changed relative to the initial distance from the object under study.
  • the surgeon brings the camera to the desired position in two blocks of movements. For example, to move the camera manipulator along one axis OX along the radius, the surgeon had to perform two movements - along the OX axis in the same direction as the manipulator, and along the OZ axis, towards the object under study in order to compensate for the deviation caused by movement along the radius , and thus provide linear movement.
  • the surgeon's perception of images can also introduce distortions that arise due to the difference in the coordinate system of the control controller and the camera.
  • there is no intuitive control of the camera since the rectilinear movement of the control controller is forced to oblique movement of the actuator (manipulator with the camera), which leads to discrepancies in the perception of the surgeon.
  • the surgeon needs additional training and getting used to.
  • the method of compensation of camera movement will allow changing the position of the end of the camera in one plane, equidistant from the operated area and depending only on the depth of immersion of the camera relative to the "zero point".
  • This compensated movement will facilitate camera control in the operating field by controlling and reproducing camera movement in similar Cartesian coordinate systems.
  • this leads to a leveling of differences in the local coordinate systems of the master and actuator, which increases the intuitiveness of camera control for the surgeon, eliminates unnecessary operator actions and reduces the number of movements of the surgeon control controller, which leads to an increase in the quality and efficiency of operations.
  • Figures 12A, 12B and 12C show the trajectories of the camera tip in the Cartesian coordinate system (movement along the inner surface of a sphere with a radius equal to R) and the compensated view of this trajectory (straight-line movement) after applying the proposed method of compensating for camera movement when changing the angle of inclination along the longitudinal axes at fixed coordinates of the camera length and tilt angle along the transverse axis on the control controller, when changing the tilt angle along the transverse axis at fixed coordinates of the camera length and tilt angle along the longitudinal axis on the control controller and when changing the camera tilt angles along the longitudinal and transverse axes with fixed camera length coordinate.
  • Figure 13A shows the image in the frame at zero tilt angle a of the camera manipulator.
  • Figure 13B shows the image in the frame with a positive tilt angle a of the camera manipulator a - the angle between the middle line of the frame and the horizon line.
  • Figure 13B depicts the required hand movement of the operator to reconstruct the horizon line in the controller's Cartesian coordinate system.
  • the operator presses the pedal, which transmits a signal to the automatic control system and controllers.
  • Rotation is carried out by simultaneously moving both controllers along a circle clockwise or counterclockwise in a given plane.
  • the diameter of the circle is the distance between the controllers.
  • the process of aligning the horizon line in the frame is a periodic procedure for the surgeon, which leads to additional hand movements.
  • Automation of the processes of leveling the horizon line and moving the field of view the camera relative to the investigated object will eliminate unnecessary actions on the part of the operator and reduce the number of movements by the controller.
  • FIG. 14A shows the increment of the coordinate along the X axis for the surgeon's control controller in the Cartesian coordinate system of the control controller.
  • Figure 14B shows the change in the position of the camera when the control controller moves in the Cartesian coordinate system of the camera manipulator.
  • the proposed method for compensating the plane of camera movement implies the introduction of additional algorithms into the automatic control system. Automating the horizontal alignment and zooming of camera movements will increase intuitive control and reduce surgeon fatigue.
  • the described method for controlling the movement of the camera manipulator included in the robotic surgical system according to the present invention is adapted to reduce the number of movements of the stereo camera that visualizes the surgical area in the operating field.
  • the diagram shows the main stages of the implementation of the claimed method, namely, data transfer from controllers, analysis and processing of the data obtained by applying sequential algorithms for transforming the coordinates of the camera manipulator from the moment the automatic control system receives the absolute coordinates of the position of the surgeon's hand and the state of the pedal from the controllers.
  • the automatic control system performs four sequential algorithms, the first two of which are designed to perform the main function - manipulator control, and two additional ones allow to compensate for the above disadvantages.
  • the vectors R! T , D r are transmitted from the right controller of the surgeon to the automatic control system. Vectors are transmitted from the left controller of the surgeon to the automatic control system
  • the camera manipulator control pedal When the camera manipulator control pedal is pressed, the camera control mode is activated, the signal from the pedal is transmitted not only to the automatic control system, but also to the controllers that block the rotational degrees of freedom, and the R R and R L vectors are reset to zero:
  • the vectors obtained by the automatic control system are processed using the algorithm for differentiating and combining motion. Control is carried out using the relative movement of the controller from the moment the camera starts control, initialized by pressing the pedal. Thus, the flexibility of the control system is increased.
  • the camera is controlled by both controllers at the same time.
  • the resulting AD vector can be scaled, inverted, rotated around orthogonal axes, and composited with turns. Any of the listed mathematical operations can be performed using a cross product.
  • the scaling operation takes place in the scaling and integration unit.
  • the scaled increment of the surgeon's controllers obtained at the previous stage is added to the current position of the chamber manipulator in its local Cartesian coordinate system.
  • the in-plane motion compensation unit receives the calculated position of the camera manipulator in the local Cartesian coordinate system.
  • the obtained data is simultaneously transmitted to the manipulator movement control unit with the camera attached to it for its movement inside the patient in order to display the surgical field.
  • the manipulator with the camera carries out both translational movements to compensate for the movement of the camera and controllers, and rotation around its longitudinal axis to level the horizon line and the center line of the frame of the image obtained from the camera.
  • step (810) movement data of the surgeon's right and left controllers is obtained.
  • step (820) it is determined whether the signal is from the pedal. In the event that a signal is sent to the automatic control system from the pedal that switches the controllers to the camera control mode, a signal is initiated to start the operation of the automatic control system of the camera manipulator.
  • step (830) the actual data received from the controller is sequentially sent to the calculating unit of derivatives for the right and left controllers, the increment of which is the total movement.
  • this movement is necessarily scaled taking into account the distance of the endoscope from the zero point.
  • the resulting increment is integrated with the position of the manipulator in its Cartesian coordinate system.
  • This compensated plane of motion is translated into the spherical coordinates of the manipulator f, q, I ⁇ , on the basis of which, at step (860), the compensation value of the horizon line R z ° mp is calculated.
  • the resulting data set (f, q, R, R z ° mp ) is transmitted to the camera manipulator (step 870). Then the steps are repeated.
  • the proposed method for controlling camera movement adds an intuitive interaction with the robotic surgical complex and increases the efficiency of the robotic surgery.
  • the principle of operation of the compensation of camera movements is based on the transition from one coordinate system to another, which will allow the surgeon to work in similar coordinate systems for both the master and the actuator. In turn, such work will allow the surgeon to control the camera almost immediately, since the control becomes intuitive. There is no need for the surgeon to acquire additional camera control skills, since the compensated camera movement accurately reproduces the position of the camera in accordance with the operator's control commands.
  • the applied algorithms for the compensation of the horizon line and the scaling algorithms make it possible to reduce the average time of positioning the manipulator with the camera in the patient's body to observe the operating field and to reduce the number of movements of the surgeon's hands.
  • the operability of the plane compensation algorithm was tested by performing linear movements of the camera manipulator along the Cartesian X and Y axes in the coordinate system of the camera manipulator using the surgeon's controller. At the same time, the projection on the Z-axis of the distance from an arbitrary point of the object under study to the zero point of the manipulator was observed.
  • Figure 19 shows frames of the sequential movement of the camera manipulator when the plane compensation algorithm is forcibly disabled. On all frames, the zero point and the trajectory of the end of the camera are indicated.
  • Figure 21 shows frames of the sequential movement of the camera manipulator when the plane compensation algorithm is enabled. On all frames, the zero point and the trajectory of the end of the camera are indicated.
  • FIG. 23 shows a sequence of frames plotted on the trajectory of the camera manipulator.
  • the study of efficiency was carried out by measuring the time, the number of movements with multiple changes in the field of view in the camera positioning mode.
  • the study involved surgeons with experience working on a robotic-assisted complex.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for controlling the movement of a camera fastened to a manipulator in a robotic surgical system. The system comprises two master controllers, each of which is capable of digitizing the movements of a surgeon's hands and transmitting movement vectors. Each master controller is capable of being switched into a camera control mode. The system includes a manipulator with a camera fastened thereto, providing for movement of the camera, and an automatic control system. Movement vector data from the right and left master controllers is transmitted to the automatic control system. The master controllers are switched into camera control mode. The movement of the manipulator is controlled by simultaneous movement of the master controllers and the implementation of the following steps: saving the received master controller movement vectors in the automatic control system; processing and combining the movement vectors of the right and left master controllers to find the total movement; scaling the resulting movement vector; compensating for motion; compensating for divergence of the horizon line from the centre line of the frame; simultaneously transmitting the resulting data to the operating mechanisms of the manipulator. The result is a reduction in the number of compensatory movements performed by the surgeon when controlling the camera.

Description

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КАМЕРОЙ В РОБОТОХИРУРГИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ METHOD FOR CAMERA CONTROL IN A ROBOTSURGICAL COMPLEX

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Изобретение относится к ассистирующим хирургическим комплексам для проведения минимально инвазивных хирургических операций. Более конкретно, изобретение относится к способу управления камерой в системе компенсации контроллера оператора для управления роботохирургическим комплексом. Изобретение возможно использовать в различных областях, где необходимо визуально взаимодействовать с рабочим полем, находящемся в труднодоступном для оператора месте: медицинская робототехника, промышленные манипуляторы, взаимодействие с объектами в опасных для жизни оператора средах и другое. The invention relates to assisting surgical systems for minimally invasive surgical operations. More specifically, the invention relates to a method for controlling a camera in an operator controller compensation system for controlling a robotic surgical system. The invention can be used in various fields where it is necessary to visually interact with the working field located in a place that is difficult for the operator to access: medical robotics, industrial manipulators, interaction with objects in environments that are dangerous for the operator's life, and more.

Предпосылки создания изобретенияBackground of the invention

Роботохирургическая система представляет собой комплекс, состоящий из трех основных узлов, представленных на фигуре 1. Комплекс состоит из задающего устройства 100, системы управления 200 и исполнительного устройства 300. В качестве задающего устройства 100 выступают контроллеры управления, с которыми непосредственно взаимодействует хирург, - механизмы, воздействуя руками на которые, хирург генерирует по меньшей мере достаточные для проведения роботохирургической операции три поступательные и три вращательные движения. Исполнительными устройствами 300 являются манипуляторы 310, 320, на которые крепятся хирургические инструменты 400 и эндоскопическая камера 500, позволяющая передавать изображение операционного поля. Для отображения рабочего поля используется трехмерная система визуализации, которая транслирует изображение со стереоскопичекской камеры на 3D экран, расположенный перед хирургом, с эффектом реальной глубины. Взаимодействие всех устройств комплекса осуществляется при помощи системы управления 200, которая является центральным узлом системы. The robotic surgical system is a complex consisting of three main units, shown in figure 1. The complex consists of a master device 100, a control system 200 and an actuator 300. Controllers 100 act as a master device, with which the surgeon directly interacts - mechanisms, acting with his hands on which, the surgeon generates at least three translational and three rotational movements sufficient for carrying out a robotic surgery. Actuators 300 are manipulators 310, 320, on which surgical instruments 400 and an endoscopic camera 500 are attached, which makes it possible to transmit an image of the operating field. To display the working field, a three-dimensional imaging system is used, which transmits the image from a stereoscopic camera to a 3D screen located in front of the surgeon, with the effect of real depth. The interaction of all devices of the complex is carried out using the control system 200, which is the central node of the system.

Эндоскопические камеры применительно к роботохирургии обеспечивают стереоскопическую визуализацию и являются одним из важных узлов робот-ассистирующего комплекса, так как обеспечивают передачу изображения операционного поля оперирующему хирургу. В области малоинвазивной хирургии особое внимание уделяется удобству управления камерой, в частности, интуитивно понятному взаимодействию хирурга с исполнительным устройством. Endoscopic cameras as applied to robotic surgery provide stereoscopic visualization and are one of the important units of the robot-assisting complex, since they provide the transmission of an image of the operating field to the operating surgeon. In the field of minimally invasive surgery, special attention is paid to the convenience of camera control, in particular, the intuitive interaction of the surgeon with the actuator.

Роботохирургия выгодно отличается от лапароскопии тем, что управление камерой осуществляется непосредственно оперирующим хирургом (в лапароскопии для данной функции часто привлекается ассистент). Robotic surgery compares favorably with laparoscopy in that the camera is controlled directly by the operating surgeon (in laparoscopy, an assistant is often involved for this function).

Контроллер может по команде хирурга управлять или манипулятором с инструментом или манипулятором с камерой. Хирургу при этом достаточно при помощи педали переключать контроллер с управления инструментом на управление камерой. Главной проблемой в управлении камерой является то, что она работает в сферической системе координат, а управляющие ею контроллеры - в декартовой системе координат. Если во время операции необходимо выдерживать постоянный размер и сохранять выбранный масштаб операционного поля, то при повороте камеры необходимо выполнить ее дополнительное компенсирующее перемещение вдоль оси направления зрения: приближение или удаление - в зависимости от того, в какую сторону камера поворачивается. Традиционно эту процедуру вынужден выполнять хирург. Но для ее качественного выполнения необходимы как значительный опыт хирурга, так и умение хирурга переключать «в уме» декартовую систему координат на сферическую и обратно. Такие условия приводят к значительной потере времени, повышению вероятности совершения ошибки хирургом и полностью закрывают возможность автоматизации отдельных переходов хирургической операции. The controller can, at the command of the surgeon, control either a manipulator with an instrument or a manipulator with a camera. In this case, the surgeon only needs to switch the controller from instrument control to camera control using the foot pedal. The main problem in camera control is that it operates in a spherical coordinate system, and the controllers that control it operate in a Cartesian coordinate system. If during the operation it is necessary to maintain a constant size and maintain the selected scale of the operating field, then when the camera is rotated, it is necessary to perform its additional compensating movement along the axis of the direction of vision: approaching or moving away, depending on which direction the camera is turned. Traditionally, this procedure has to be performed by a surgeon. But for its high-quality implementation, both considerable experience of the surgeon and the surgeon's ability to switch "in the mind" the Cartesian coordinate system to the spherical one and vice versa are required. Such conditions lead to a significant loss of time, an increase in the likelihood of a mistake by the surgeon and completely block the possibility of automating individual transitions of a surgical operation.

Возможность автоматической компенсации положения камеры при ее управлении контроллером является важной и пока не решенной задачей в роботохирургии. Решение этой задачи позволит автоматически совмещать декартову и сферическую системы координат и автоматически контроллером и/или манипулятором отрабатывать необходимые компенсационные движения, тем самым обеспечивая хирургу удобный, интуитивно понятный порядок управления. The possibility of automatic compensation of the camera position when it is controlled by the controller is an important and not yet solved problem in robotic surgery. The solution to this problem will allow automatically combining the Cartesian and spherical coordinate systems and automatically using the controller and / or manipulator to work out the necessary compensatory movements, thereby providing the surgeon with a convenient, intuitive control procedure.

В этой связи важными, а порой и определяющими для работы робот-асситирующего комплекса в целом, являются выбранные методы и способы управления камерой, передающей стереоизображение оператору. Связано это в первую очередь с необходимостью внедрения системы компенсации контроллера оператора, в которой будет программно реализован способ интуитивно понятного интерфейса взаимодействия хирурга с манипулятором, на который крепится эндоскопическая камера. In this regard, the selected methods and methods of controlling the camera transmitting the stereo image to the operator are important and sometimes decisive for the operation of the robot-assitant complex as a whole. This is primarily due to the need to implement a compensation system for the operator's controller, which will programmatically implement the method of an intuitive interface for the interaction of the surgeon with the manipulator on which the endoscopic camera is attached.

Взаимодействие хирурга с камерой отличается от управления хирургическими инструментами. Обусловлено это количеством степеней свободы: для управления камерой достаточным является управление тремя поступательными степенями свободы, а для контроля инструмента к ним добавляются три вращательные степени браншей (кончика) инструмента. The interaction of the surgeon with the camera is different from the control of surgical instruments. This is due to the number of degrees of freedom: to control the camera, it is sufficient to control three translational degrees of freedom, and to control the instrument, three rotational degrees of the jaws (tip) of the instrument are added to them.

Различия в локальных системах координат задающего (контроллер) и исполнительного (манипулятор) устройств, которые объясняются механическими особенностями конструкций, являются незначительными при управлении хирургическим инструментом, но они же являются источником разногласия, которое не позволяет хирургу интуитивно, без когнитивной коррекции, взаимодействовать с камерой. Хирургу приходится понимать и помнить при работе, что при управлении камерой изменение ее положения будет происходить не совсем по тем траекториям, которые он задает. Это приводит к тому, что для эффективного управления камерой хирургу необходимо дополнительно освоить профессиональные навыки, на приобретение и закрепление которых потребуется значительный период времени. Интуитивно понятное управление - это управление камерой, основанное на том же самом порядке движений, что и в случае управления хирургическими инструментами. Расхождения при управлении контроллером перемещения инструмента и камеры незначительны при проведении хирургических процедур при очень близком приближении к оперируемой области, но в случае процедуры осмотра операционного поля на некотором расстоянии расхождения становятся уже существенны, что вынуждает хирурга совершать дополнительные перемещения камеры для их компенсации. Недостаточная квалификация хирурга или отсутствие у него должного опыта по компенсации положения камеры может создать проблемы, связанные с потерей во время операции операционного поля или по неадекватному восприятию его местоположения и размеров. Компенсация положения камеры становится ключевой задачей при автоматизации отдельных переходов хирургической операции. Differences in the local coordinate systems of the master (controller) and actuator (manipulator) devices, which are explained by the mechanical features of the structures, are insignificant when controlling a surgical instrument, but they are also a source of disagreement that does not allow the surgeon to intuitively, without cognitive correction, interact with the camera. The surgeon has to understand and remember during his work that when controlling the camera, the change in its position will not follow exactly the trajectories that it sets. This leads to the fact that in order to effectively control the camera, the surgeon needs to additionally master professional skills, the acquisition and consolidation of which will take a significant period of time. Intuitive controls are camera controls based on the same motion order as surgical instruments. Discrepancies in the control of the instrument and camera movements by the controller are insignificant during surgical procedures when approaching the operated area very close, but in the case of the procedure for examining the operating field at a certain distance, the discrepancies become already significant, which forces the surgeon to make additional movements of the camera to compensate for them. Insufficient qualification of the surgeon or lack of experience in compensating for the position of the camera can create problems associated with the loss of the operating field during the operation or inadequate perception of its location and size. Compensating for camera position becomes a key challenge when automating individual surgical transitions.

Существуют методы управления камерным манипулятором, которые направлены на решение описанных выше проблем. Например, такие методы раскрыты в патентах США US 6574355 В2, US 9188973 В2, US9949798B2. There are camera manipulator control methods that address the problems described above. For example, such methods are disclosed in US patents US 6574355 B2, US 9188973 B2, US9949798B2.

В способе, описанным в US 6574355 В2. производится программная и аппаратная компенсация при движении камеры. Изменение видимого положения наконечников манипулятора улучшает удобство управления оператора при работе с объектом в рабочей области. Но данная компенсация направлена на корректировку поля зрения камеры и отвечает за синхронное расположение хирургических инструментов на изображении с камеры. Само поступательное движение камеры при переходе от системы координат контроллера управления в систему координат манипулятора никоим образом не компенсируется. In the method described in US Pat. No. 6,574,355 B2. software and hardware compensation is performed when the camera moves. Changing the visible position of the manipulator tips improves operator comfort when working with an object in the work area. But this compensation is aimed at correcting the camera's field of view and is responsible for the synchronous positioning of surgical instruments on the camera image. The translational movement of the camera itself during the transition from the coordinate system of the control controller to the coordinate system of the manipulator is not compensated in any way.

В способе, описанным в US 9188973 В2, используют алгоритм определения координат манипулятора робота на основе его местоположения в системе координат камеры. Данные преобразования координат облегчают калибровку систем камер. Использование предложенных методов позволяет точнее позиционировать всю систему, а также управлять камерой в зависимости от решаемой задачи. Однако компенсация движения камеры при изменении положения отсутствует. The method described in US 9188973 B2 uses an algorithm for determining the coordinates of the robot arm based on its location in the camera coordinate system. Coordinate transformation data facilitate the calibration of camera systems. Using the proposed methods allows you to more accurately position the entire system, as well as control the camera, depending on the problem being solved. However, there is no compensation for camera movement when changing position.

В US 9949798 В2 представлен способ управления камерой, в котором используются различные локальные системы координат для контроллера управления как задающего устройства и манипулятора камеры как исполнительного устройства, что позволяет переходить из одной системы координат в другую при управлении и реализовывать отдельные методы управления камерой в рамках операционного поля. При этом в данном техническом решении не уделяется особое внимание тонкостям управления и взаимодействия, предполагается прямолинейный переход из одной системы координат в другую без внедрения каких-либо методов механической либо программной компенсации для особых случаев и режимов управления камерой. Для предложенного способа взаимодействия и управления камерой хирургу необходимо дополнительно обучаться и привыкать, так как данные движения не интуитивны и требуют определенных навыков управления. In US 9949798 B2, a method for controlling a camera is presented, which uses various local coordinate systems for a control controller as a master device and a camera manipulator as an actuator, which makes it possible to move from one coordinate system to another during control and implement separate methods for controlling a camera within the operating field. ... At the same time, this technical solution does not pay special attention to the intricacies of control and interaction, it is assumed a straight-line transition from one coordinate system to another without introducing any methods of mechanical or software compensation for special cases and camera control modes. For the proposed method of interaction and control of the camera, the surgeon needs additional training and getting used to, since these movements are not intuitive and require certain control skills.

Обзор современных решений, а также имеющихся научных исследований в области роботизированных хирургических комплексов, в частности программных или аппаратных способов компенсации перемещений, приводит к выводу о существовании потребности в создании усовершенствованной системы взаимодействия хирурга с робот-ассистирующим комплексом. Существующие разработки методов и систем для управления движением камерой в составе роботохирургических комплексов не позволяют решить следующую совокупность проблем: Review of modern solutions, as well as available scientific research in the field of robotic surgical systems, in particular software or hardware methods compensation of movements, leads to the conclusion that there is a need to create an improved system of interaction between the surgeon and the robot-assisting complex. The existing developments of methods and systems for controlling camera movement as part of robotic surgical systems do not allow solving the following set of problems:

1. Отсутствие интуитивно понятного взаимодействия хирурга с камерой при ее перемещении, обеспечивающего удержание изображения операционного поля в рамках заданного поля зрения. Такое свойство системы, как интуитивно понятное управление системой, снимает с хирурга обязанность постоянно контролировать, рассчитывать в уме и на основе расчетов совершать дополнительные компенсационные перемещения контроллером при перемещении камеры. 1. Lack of intuitive interaction between the surgeon and the camera during its movement, which ensures the retention of the image of the operating field within the specified field of view. Such a property of the system as intuitive control of the system relieves the surgeon of the obligation to constantly monitor, calculate in his head and, on the basis of calculations, make additional compensatory movements by the controller when moving the camera.

2. Отсутствие программных либо механических методов компенсации управления камерой при проведении роботохирургической операции, избавляющих хирурга от дополнительных управляющих команд для перемещения камеры с целью удержания изображения на целевой точке операционного поля. 2. Lack of software or mechanical methods of compensation for camera control during robotic surgery, which relieve the surgeon of additional control commands to move the camera in order to keep the image at the target point of the surgical field.

3. Отсутствие программных методов компенсации расхождений между средней линией кадра и линией горизонта при наличии данной технической возможности у конструкции манипулятора. 3. Lack of software methods for compensating for discrepancies between the middle line of the frame and the horizon line, given the technical capability of the manipulator design.

4. Отсутствие масштабирования движений контроллером при разном отдалении расположенного в теле пациента конца стереоскопической камеры от «нулевой точки» (точки входа камеры в тело пациента). 4. Lack of scaling of movements by the controller at different distances of the end of the stereoscopic camera located in the patient's body from the "zero point" (the point of entry of the camera into the patient's body).

5. Необходимость приобретения определенных навыков управления камерой для понимания работы существующих систем визуализации в роботохирургических комплексах. 5. The need to acquire certain skills in camera control to understand the operation of existing imaging systems in robotic surgical complexes.

Таким образом, существует потребность в усовершенствовании метода компенсации поступательных движений в режиме управления камерой для того, чтобы обеспечить хирургу возможность более интуитивно понятного и комфортного управления роботохирургическим комплексом, и для того, чтобы обеспечить более совершенное взаимодействие с комплексом, что в свою очередь повышает качество и эффективность роботохирургических операций. Именно решению перечисленных проблем посвящена данная заявка. Thus, there is a need to improve the method of compensation of translational movements in the camera control mode in order to provide the surgeon with the possibility of more intuitive and comfortable control of the robotic surgical complex, and in order to provide a more perfect interaction with the complex, which in turn increases the quality and the effectiveness of robotic surgery. This application is dedicated to the solution of the listed problems.

Суть изобретения The essence of the invention

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является интуитивно понятное управление движением камерой для наблюдения операционного поля без необходимости освоения дополнительных навыков компенсаций при управлении, повышение качества и эффективности роботохирургических операций. The technical problem to be solved by the present invention is the intuitive control of the camera movement for observing the operating field without the need for mastering additional compensation skills during control, improving the quality and efficiency of robotic surgery.

Технический результат настоящего изобретения заключается в создании способа взаимодействия контроллера управления с механическим манипулятором, входящим в состав роботохирургического комплекса, с закрепленной на нем камерой, позволяющего уменьшить или убрать совсем количество совершаемых хирургом компенсационных движений при управлении камерой, тем самым обеспечив сокращение продолжительности операции, уменьшение рисков ошибок хирурга, а также сокращение утомляемости хирурга на основе максимально интуитивно понятного порядка управления камерой. The technical result of the present invention is to create a method of interaction of a control controller with a mechanical manipulator, which is part of a robotic surgical complex, with a camera attached to it, which makes it possible to reduce or completely remove the number of compensatory movements performed by the surgeon during control camera, thereby reducing the duration of the operation, reducing the risk of surgeon errors, as well as reducing the surgeon's fatigue based on the most intuitive camera control procedure.

Удобное и интуитивно понятное управление камерой достигается за счет исследованной, смоделированной и программно-реализованной системы, фиксирующей управляющие команды, сгенерированные в системе координат контроллера, и преобразующей их в управляющие команды, но уже в системе координат манипулятора камеры, что представляет собой мехатронно- программную компенсацию движения камеры. Convenient and intuitive control of the camera is achieved due to the investigated, simulated and software-implemented system that fixes the control commands generated in the controller's coordinate system and converts them into control commands, but already in the camera manipulator coordinate system, which is a mechatronic-software compensation camera movement.

Способ компенсации движений камеры включает в себя: обеспечение компенсации плоскости движения манипулятора камеры; обеспечение масштабирования движений контроллера управления; обеспечение нивелирования расхождения средней линии кадра и линии горизонта. A method for compensating for camera movements includes: providing compensation for the plane of movement of the camera manipulator; ensuring scaling of movements of the control controller; ensuring the leveling of the discrepancy between the center line of the frame and the horizon line.

Предлагаемый способ управления движением манипулятора с закрепленным на нем камерой должен отвечать следующим требованиям: The proposed method for controlling the movement of a manipulator with a camera attached to it must meet the following requirements:

1. Осуществление способа компенсации движения камеры должно увеличивать для хирурга интуитивность управления. 1. Implementation of the method of compensation of camera movement should increase the intuitiveness of control for the surgeon.

2. Скомпенсированное движение манипулятора должно точно воспроизводить положение камеры в операционной области в соответствии с управляющими командами контроллера управления хирурга. 2. The compensated manipulator movement should accurately reproduce the position of the camera in the operating area in accordance with the control commands of the surgeon's control controller.

3. Использование способов компенсации не должно уменьшать рабочую область хирурга в рамках операционного поля и должно позволять хирургу изменять поле обзора камеры в операционном поле с минимальным количеством управляющих движений контроллера управления. 3. The use of compensation methods should not reduce the surgeon's working area within the operating field and should allow the surgeon to change the camera's field of view in the operating field with a minimum number of control movements of the control controller.

Предлагаемый способ компенсации движения камеры позволит менять положение конца камеры в одной плоскости в зависимости лишь от глубины погружения камеры относительно «нулевой точки». Внедрение дополнительных способов компенсации расхождения средней линии кадра и линии горизонта позволят уменьшить недостатки, возникающие при изменении поля зрения камеры и адаптации хирурга к полученному результату. Описываемый ниже способ для управления перемещением камерным манипулятором контроллером управления выполнен с возможностью облегчения перемещения стереокамеры, визуализирующей хирургическую область, в операционном поле за счет компенсационного масштабирования движений контроллера. Способ предполагает управление камерой в системе координат, которая аналогична декартовой системе координат, применяемой для передвижения инструментов. The proposed method for compensating the camera movement will allow changing the position of the end of the camera in one plane depending only on the depth of immersion of the camera relative to the "zero point". The introduction of additional methods to compensate for the discrepancy between the center line of the frame and the horizon line will reduce the drawbacks that arise when the field of view of the camera changes and the surgeon adapts to the result. The method described below for controlling the movement of the camera manipulator by the control controller is configured to facilitate the movement of the stereo camera that visualizes the surgical area in the operating field due to the compensatory scaling of the controller movements. The method involves controlling the camera in a coordinate system that is similar to the Cartesian coordinate system used to move tools.

Точность воспроизведения управляющих команд гарантируется механическим манипулятором, к которому крепится камера, особенности конструкции которого в рамках данной заявки не рассматриваются, но гарантирующего по меньшей мере три поступательные степени свободы для камеры. The fidelity of the reproduction of the control commands is guaranteed by a mechanical manipulator to which the camera is attached, the design features of which are not considered in this application, but which guarantees at least three translational degrees of freedom for the camera.

Точность определения изменения положения, а также генерацию управляющих команд гарантирует контроллер управления, обеспечивающего передачу изменения положения, по меньшей мере, в трех поступательных степенях свободы. Технический результат достигается за счет создания способа управления движением камеры, закрепленной на манипуляторе роботохирургического комплекса, включающего два контроллера управления роботохирургическим комплексом, каждый из которых выполнен с возможностью оцифровывания движений рук хирурга и обеспечивающий передачу векторов движения по трем поступательным и трем вращательным степеням свободы, представляющих разность между координатами контроллера управления в начальном положении и координатами контроллера при изменении положения руки хирурга, при этом каждый контроллер управления выполнен с возможностью переключения в режим управления камерой с помощью педали управления, по меньшей мере один манипулятор с закрепленной на нем камерой для обзора операционного поля, обеспечивающий ее перемещение по трем поступательным степеням свободы, систему автоматического управления, которая связана с обоими контроллерами, управляемыми хирургом, и по меньшей мере одним манипулятором, при этом способ характеризуется следующими шагами: передача данных векторов движения по трем поступательным и трем вращательным степеням свободы правого и левого контроллера управления в систему автоматического управления с постоянной частотой, осуществление переключения контроллеров управления в режим управления камерой, закрепленной на манипуляторе, путем нажатия на педаль управления, при этом сигнал с педали управления передают в систему автоматического управления и на контроллеры управления для блокировки у последних вектора движения вращательных степеней свободы, причем после блокировки вращательных степеней свободы контроллера управления вектор вращательных координат в системе автоматического управления обнуляется; осуществление управления движением манипулятора с закрепленной на нем камерой посредством одновременного перемещения контроллеров управления и последующего выполнения следующих этапов: этап сохранения полученных векторов движения контроллеров управления в системе автоматического управления, этап обработки и объединения векторов движения правого и левого контроллера управления, характеризующих поступательные движения, для нахождения суммарного перемещения, этап масштабирования полученного на предыдущем этапе вектора перемещения, этап компенсации движения, содержащий суммирование отмасштабированного вектора перемещения и вектора текущего положения указанного манипулятора в его локальной декартовой системе координат, и перевод полученного вектора положения манипулятора из декартовой в сферическую систему координат, этап компенсации отклонения линии горизонта от средней линии кадра путем вычисления величины расхождения угла, зависящего от углов наклона камеры в сферической системе координат, этап одновременной передачи полученных на предыдущих шагах данных на исполнительные механизмы манипулятора для его поступательного перемещения и поворота вокруг продольной оси закрепленной на нем камеры. The accuracy of determining the change in position, as well as the generation of control commands, is guaranteed by the control controller, which ensures the transmission of the change in position in at least three translational degrees of freedom. The technical result is achieved by creating a method for controlling the movement of the camera fixed on the manipulator of the robotic surgical complex, which includes two controllers for controlling the robotic surgical complex, each of which is designed to digitize the movements of the surgeon's hands and provides the transmission of motion vectors along three translational and three rotational degrees of freedom, representing the difference between the coordinates of the control controller in the initial position and the coordinates of the controller when the position of the surgeon's hand changes, while each control controller is configured to switch to the camera control mode using the control pedal, at least one manipulator with a camera attached to it for viewing the operating field, providing its movement along three translational degrees of freedom, an automatic control system, which is connected with both controllers controlled by the surgeon, and at least one manipulator, while cn is characterized by the following steps: transfer of motion vector data along three translational and three rotational degrees of freedom of the right and left control controller to the automatic control system with a constant frequency, switching controllers to the control mode of the camera attached to the manipulator by pressing the control pedal, when The signal from the control pedal is transmitted to the automatic control system and to the control controllers to block the motion vectors of the rotational degrees of freedom at the latter, and after blocking the rotational degrees of freedom of the control controller, the vector of rotational coordinates in the automatic control system is reset to zero; control of the motion of the manipulator with the camera attached to it by simultaneously moving the controllers and then performing the following stages: the stage of storing the obtained motion vectors of the controllers in the automatic control system, the stage of processing and combining the motion vectors of the right and left controllers characterizing the translational movements to find total displacement, the stage of scaling the displacement vector obtained at the previous stage, the stage of motion compensation, containing the summation of the scaled displacement vector and the vector of the current position of the specified manipulator in its local Cartesian coordinate system, and the translation of the obtained vector of the position of the manipulator from Cartesian to spherical coordinates, the stage of deflection compensation the horizon line from the center line of the frame by calculating the value of the divergence of the angle depending on the tilt angles of the camera in the spherical coordinate system T, the stage of simultaneous transmission of the data obtained at the previous steps to the actuators of the manipulator for its translational movement and rotation around the longitudinal axis of the camera fixed on it.

При этом масштабирование вектора перемещения осуществляют с учетом отдаления камеры от нулевой точки камеры в локальной системе координат камеры, относительно которой изменяет свое положение вектор положения камеры с началом в точке вхождения камеры в отверстие в теле пациента и с концом, совпадающим с фактическим положением конца камеры. In this case, the scaling of the displacement vector is carried out taking into account the distance of the camera from the zero point of the camera in the local coordinate system of the camera, relative to which the position vector of the camera changes with the beginning at the point where the camera enters the hole in the patient's body and with the end that coincides with the actual position of the end of the camera.

Краткое описание чертежей Brief Description of Drawings

Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют вариант осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием примеров осуществления изобретения служат для пояснения принципов настоящего изобретения. Для ясности и просты приведенные чертежи не обязательно выполнены в масштабе. The accompanying drawings, which are incorporated and form part of the present specification, illustrate an embodiment of the invention and together with the foregoing general description of the invention and the following detailed description of exemplary embodiments of the invention serve to explain the principles of the present invention. For clarity and simplicity, the drawings are not necessarily drawn to scale.

Фигура 1 изображает структурную схема робот-ассистирующего комплекса. Figure 1 shows a block diagram of a robot-assisting complex.

Фигура 2 изображает структурную модель роботохирургического комплекса, которая применяется для настоящего изобретения. Figure 2 depicts a structural model of a robotic surgical system that is used for the present invention.

Фигура 3 изображает общий вид контроллера управления хирурга, который используется в настоящем изобретении. Figure 3 is a perspective view of a surgeon control controller used in the present invention.

Фигура 4 изображает общую принципиальную блок-схему алгоритма работы контроллера управления хирурга. Figure 4 depicts a general schematic block diagram of the operation of the surgeon control controller.

Фигура 5 изображает расположение локальной сферической системы координат манипулятора, берущей начало в «нулевой точке». Figure 5 depicts the location of the local spherical coordinate system of the manipulator, originating at the "zero point".

Фигура 6 изображает расположение декартовой ортогональной системы координат манипулятора с началом в «нулевой точке». Figure 6 depicts the location of the Cartesian orthogonal coordinate system of the manipulator with the origin at the "zero point".

Фигура 7 изображает моделирование изменения положения конца камеры при изменении каждой координаты в отдельности. Изменение длины камеры относительно «нулевой точки». Figure 7 depicts a simulation of the change in the position of the end of the camera when changing each coordinate separately. Changing the length of the camera relative to the "zero point".

Фигура 8 изображает моделирование изменения положения конца камеры при изменении каждой координаты в отдельности. Изменение наклона камеры относительно продольной оси. Figure 8 depicts a simulation of the change in the position of the end of the camera when changing each coordinate separately. Changing the tilt of the camera relative to the longitudinal axis.

Фигура 9 изображает моделирование изменения положения конца камеры при изменении каждой координаты в отдельности. Изменение наклона камеры относительно поперечной оси. Figure 9 depicts a simulation of the change in the position of the end of the camera when changing each coordinate separately. Changing the tilt of the camera relative to the transverse axis.

Фигура 10 показывает траекторию движения камерного манипулятора при изменении угла Q вдоль продольной оси при постоянных f и R . Движение осуществляется по окружности с радиусом R. Figure 10 shows the trajectory of movement of the camera manipulator when changing the angle Q along the longitudinal axis at constant f and R. The movement is carried out in a circle with a radius R.

Фигура 11 схематично показывает соотношения между перемещениями контроллера управления хирурга и движением манипулятора камеры в декартовой системе координат. На фигуре 11А схематически приведены перемещения руки хирурга в декартовой системе координат контроллера управления. Перемещение камеры в декартовой системе координат манипулятора камеры отображено на фигуре 11Б. Figure 11 schematically shows the relationship between movements of a surgeon control controller and movement of a camera arm in a Cartesian coordinate system. Figure 11A schematically shows the movements of the surgeon's hand in the Cartesian coordinate system control controller. The movement of the camera in the Cartesian coordinate system of the camera manipulator is shown in figure 11B.

Фигура 12 отражает траектории движения кончика камеры в декартовой системе координат камеры и скомпенсированный вид данный траектории после применения предлагаемого алгоритма компенсации движения камеры. Фигуры 12А, 12Б и 12В показывают траектории движения кончика камеры при различных ее движениях. Figure 12 shows the trajectories of the camera tip in the Cartesian coordinate system of the camera and the compensated view of this trajectory after applying the proposed camera motion compensation algorithm. Figures 12A, 12B and 12B show the trajectories of the camera tip during its various movements.

Фигура 13 отражает совершаемое движение контроллером управления хирурга и отклонение средней линии кадра от линии горизонта. Фигура 13А показывает изображение в кадре при нулевом угле наклона манипулятора камеры. Фигура 13Б показывает изображение в кадре при положительном угле наклона манипулятора камеры. Фигура 13В отражает необходимое движение рук оператора для восстановления линии горизонта в декартовой системе координат контроллера. Figure 13 depicts the movement made by the surgeon's control controller and the deviation of the frame centerline from the horizon. Figure 13A shows an in-frame image at zero tilt angle of the camera arm. Figure 13B shows an in-frame image at a positive tilt angle of the camera arm. Figure 13B depicts the required hand movement of the operator to reconstruct the horizon line in the controller's Cartesian coordinate system.

Фигура 14 схематично отражает алгоритм изменения масштаба камерного манипулятора.Figure 14 is a schematic representation of a camera manipulator zooming algorithm.

Фигура 15 схематично отражает подробную функциональную схему управления камерой.Figure 15 is a schematic representation of a detailed functional diagram of a camera control.

Фигура 16 отражает блок-схему алгоритма работы системы автоматического управления манипулятором камеры. Figure 16 depicts a block diagram of the operation of the automatic control system of the camera manipulator.

Фигура 17 изображает манипулятор камеры в сферических координатах f = 0°, Q = 0°, R = 110мм. Figure 17 depicts the camera manipulator in spherical coordinates f = 0 °, Q = 0 °, R = 110mm.

Фигура 18 изображает манипулятор камеры в сферических координатах f = 0°, 0 = 30°, R = 110мм. Figure 18 depicts the camera manipulator in spherical coordinates f = 0 °, 0 = 30 °, R = 110mm.

Фигура 19 показывает последовательность движения манипулятора камеры без применения предлагаемого способа компенсации движения камеры (без применяемого алгоритма компенсации плоскости). Figure 19 shows the sequence of movement of the camera manipulator without using the proposed method of compensating for camera movement (without the applied plane compensation algorithm).

Фигура 20 изображает манипулятор камеры в сферических координатах f = 0°, Q = 30°, R = 127мм. Figure 20 depicts the camera manipulator in spherical coordinates f = 0 °, Q = 30 °, R = 127mm.

Фигура 21 показывает последовательность движения манипулятора камеры с применением предлагаемого способа компенсации движения камеры (с использованием применяемого алгоритма компенсации плоскости). Figure 21 shows the sequence of movement of the camera manipulator using the proposed method of compensating for camera movement (using the applied plane compensation algorithm).

Фигура 22 показывает последовательность изображений вдоль проекции траектории без компенсации горизонта. Figure 22 shows a sequence of images along a projected trajectory without horizon compensation.

Фигура 23 показывает последовательность изображений вдоль проекции траектории с компенсацией горизонта. Figure 23 shows a sequence of images along a projected horizon compensated trajectory.

Фигура 24 изображает объект операционного поля с нанесенными контрольными точками (слева), изображение первой контрольной точки в кадре (справа). Figure 24 depicts an object of the operating field with applied control points (left), the image of the first control point in the frame (right).

Фигура 25 показывает результаты серии экспериментов после статистической обработки данных, отражающих среднее время позиционирования камеры с применением предложенного способа управления движением камеры и без него. Figure 25 shows the results of a series of experiments after statistical processing of data reflecting the average time for positioning the camera with and without the proposed method of controlling camera movement.

Фигура 26 показывает результаты серии экспериментов после статистической обработки данных, отражающих среднее расстояние перемещения рук хирурга при позиционировании манипулятора камеры с применением предложенного способа управления движением камеры и без него. Figure 26 shows the results of a series of experiments after statistical processing of data reflecting the average distance of movement of the surgeon's arms during positioning. manipulator of the camera with the use of the proposed method of controlling the movement of the camera and without it.

Термины и определения Terms and Definitions

Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе. For a better understanding of the present invention, below are some of the terms used in the present description of the invention. Unless otherwise specified, technical and scientific terms in this application have the standard meanings generally accepted in the scientific and technical literature.

В настоящем описании и в формуле изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е., в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из». In the present description and in the claims, the terms "includes", "including" and "includes", "having", "equipped", "containing" and their other grammatical forms are not intended to be construed in an exclusive sense, but, on the contrary, are used in a non-exclusive sense (ie, in the sense of "including"). Only expressions of the type “consisting of” should be considered as an exhaustive list.

В настоящих материалах заявки под терминами «роботизированный технологический комплекс», «роботизированная система», «роботизированный комплекс», «роботохирургический комплекс», «роботохирургическая система» понимают сложные системы или комплексы в хирургии с использованием робота-ассистента во время операции. «Робот-ассистивные системы» или «робот-ассистированные хирургические системы» - это роботизированные системы, предназначенные для проведения медицинских операций. Это не автономные устройства, робот- ассистивными системами при проведении операции управляют хирурги. In these application materials, the terms “robotic technological complex”, “robotic system”, “robotic complex”, “robotic surgical complex”, “robotic surgical system” mean complex systems or complexes in surgery using a robot assistant during an operation. "Robot assistive systems" or "robotic assisted surgical systems" are robotic systems designed to perform medical operations. These are not autonomous devices, robotic assistive systems are controlled by surgeons during the operation.

В настоящих материалах заявки под термином «мехатронный комплекс» или «мехатронная система» понимают комплекс или систему с компьютерным управлением движения, которые базируются на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов. In these application materials, the term "mechatronic complex" or "mechatronic system" means a complex or system with computer control of motion, which is based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science and computer control of the movement of machines and assemblies.

В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача- хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами. In this application, the term "operator" refers to the performing the operation of the surgeon. The terms "operator" and "surgeon" in the present description of the invention are synonymous.

Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов). The term "connected" means functionally connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.

Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.д. используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты. In addition, the terms "first", "second", "third", etc. are used simply as conditional markers, without imposing any numerical or other restrictions on the enumerated objects.

Подробное описание изобретения Detailed description of the invention

Описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенное ниже, приводится исключительно в качестве примера и предназначено для иллюстративных целей и не предназначено для ограничения объема раскрываемого изобретения. Настоящее решение относится к способу управления перемещением камерой, закрепленной на механическом манипуляторе роботохирургического комплекса, которая позволяет получить изображение операционного поля во время проведения хирургической операции. The description of exemplary embodiments of the present invention below is provided by way of example only and is intended for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the disclosed invention. The present solution relates to a method for controlling the movement of a camera fixed on a mechanical manipulator of a robotic surgical complex, which allows obtaining an image of the operating field during a surgical operation.

Пример структуры роботохирургического комплекса приведен на фигуре 2. Роботохирургический комплекс состоит из трех взаимосвязанных основных узлов: тележка пациента (исполнительное устройство) 300, система автоматического управления 200 и консоль управления (задающее устройство) 100, которая получает команды от хирурга 101 для дальнейшего преобразования их в движение закрепленных в манипуляторе хирургических инструментов или для обеспечения генерации управляющих команд от хирурга для других блоков роботохирургического комплекса. An example of the structure of a robotic surgical complex is shown in figure 2. The robotic surgical complex consists of three interconnected main units: a patient trolley (actuator) 300, an automatic control system 200 and a control console (driver) 100, which receives commands from a surgeon 101 to further transform them into movement of surgical instruments fixed in the manipulator or to ensure the generation of control commands from the surgeon for other units of the robotic surgical complex.

Также одним из важных узлов в роботохирургическом комплексе является система стереоизображения (система визуализации), которая включает камеру 500 для получения изображения операционного поля 330 и монитор системы визуализации 130 для отображения полученного от камеры трехмерного изображения операционного поля. От качества получаемого хирургом изображения зависит эффективность проводимой операции. Современное развитие мехатронных систем и постоянное совершенствование роботохирургии предъявляет новые требования к разрабатываемым устройствам системы визуализации. Also, one of the important units in the robotic surgical complex is the stereo imaging system (imaging system), which includes a camera 500 for obtaining an image of the surgical field 330 and a monitor of the imaging system 130 for displaying a three-dimensional image of the surgical field obtained from the camera. The efficiency of the operation depends on the quality of the image obtained by the surgeon. The modern development of mechatronic systems and the constant improvement of robotic surgery imposes new requirements on the developed devices of the imaging system.

Консоль управления 100 находится вне стерильной зоны хирургического блока и выполнена с возможностью управления: манипуляторами 301, 302, 303 с закрепленными на них хирургическими инструментами; манипулятором 320 с закрепленной на нем камерой 500; непосредственно самими хирургическими инструментами. В управлении участвует контроллер 120, управляемый руками хирурга, и педали, управляемые ногами хирурга. The control console 100 is located outside the sterile zone of the surgical unit and is configured to control: manipulators 301, 302, 303 with surgical instruments attached to them; a manipulator 320 with a camera 500 attached to it; directly by the surgical instruments themselves. The control involves a controller 120 operated by the surgeon's hands and pedals operated by the surgeon's feet.

Обычно манипуляторы с хирургическими инструментами и камерой смонтированы на тележке пациента, которая предназначена для их поддержки и расположения относительно пациента. Следует понимать, что роботохирургический комплекс может иметь любое число манипуляторов, так, например, один или более манипуляторов. На фигуре 2 показаны три манипулятора 301, 302, 303, выполненные с возможностью перемещения в трех плоскостях и вращения в трех плоскостях, а также манипулятор 320 камеры 500. Все манипуляторы, указанные на структурной схеме и являющиеся частью тележки пациента, обладают общими механическими характеристиками и конструкционным особенностями. Каждый манипулятор имеет корпус и соединительный узел манипулятора, к которому съемно может быть присоединен хирургический инструмент или камера, движение и положение которых имеет возможность изменять хирург, манипулируя/управляя с помощью контроллера управления, который оцифровывает движение руки хирурга. Typically, manipulators with surgical instruments and a camera are mounted on a patient trolley, which is designed to support and position them relative to the patient. It should be understood that the robotic surgical system can have any number of manipulators, such as one or more manipulators. Figure 2 shows three manipulators 301, 302, 303, made with the ability to move in three planes and rotate in three planes, as well as the manipulator 320 of the camera 500. All manipulators indicated in the structural diagram and being part of the patient cart have general mechanical characteristics and design features. Each manipulator has a casing and a manipulator connection unit, to which a surgical instrument or camera can be detachably attached, the movement and position of which the surgeon can change by manipulating / controlling using a control controller that digitizes the movement of the surgeon's hand.

Контроллер управления 120 хирурга позволяет управлять хирургическими инструментами и камерой, расположенных внутри пациента при проведении хирургической операции. Контроллер управления преобразует механические движения руки хирурга на всей естественной амплитуде движений по шести степеням свободы для генерирования управляющих команд для роботохирургического комплекса. The surgeon controller 120 allows control of surgical instruments and a camera located within a patient during surgery. The control controller converts the mechanical movements of the surgeon's hand over the entire natural range of motion in six degrees of freedom to generate control commands for robotic surgical complex.

Контроллер управления хирурга формирует команду на перемещение хирургического инструмента. Дополнительно контроллер выполняет управление поворотами и открытием- закрытием бранша на хирургическом инструменте. Хирург имеет возможность генерировать по меньшей мере три поступательные и три вращательные степени свободы и дополнительно как минимум одну степень свободы при смыкании/размыкании браншей, что достаточно для управления хирургическим инструментом при выполнении хирургической операции. The surgeon's controller generates a command to move the surgical instrument. Additionally, the controller controls the turning and opening / closing of the jaw on the surgical instrument. The surgeon has the ability to generate at least three translational and three rotational degrees of freedom and additionally at least one degree of freedom when closing / opening jaws, which is sufficient to control a surgical instrument during a surgical operation.

Под педалью 110 в настоящей заявке понимают контактный коммутационный аппарат (механический или электронный), способный включать/выключать прохождение тока в цепи. В качестве такого аппарата может выступать педаль, кнопка, выключатель, переключатель и тому подобное. Здесь и далее в рамках настоящей заявки педалью 110 является ножной педальный выключатель, который замыкает электрическую цепь при нажатии хирургом на педаль ногой. В составе консоли управления педалей может быть несколько. Педали предназначены для смены режимов работы контроллера управления либо для переключения дополнительного функционала, например, коагуляции, лазера и тому подобное. Ножные педальные выключатели позволяют хирургу управлять камерой, инструментами, электрохирургическими инструментами. Pedal 110 in this application is understood as a contact switching device (mechanical or electronic) capable of switching on / off the flow of current in a circuit. A pedal, button, switch, switch and the like can act as such an apparatus. Hereinafter, in the framework of this application, the pedal 110 is a footswitch that closes an electrical circuit when the surgeon depresses the pedal with his foot. There can be several pedals in the control console. The pedals are designed to change the operating modes of the control controller or to switch additional functionality, for example, coagulation, laser, and the like. Footswitches allow the surgeon to control the camera, instruments, electrosurgical instruments.

Система автоматического управления 200 на основе полученных данных от контроллеров управления 120 и сигнала с педалей 110 генерирует управляющие команды, которые могут быть направлены как на манипуляторы 301, 302, 303 с хирургическими инструментами, так и на манипулятор 320 камеры. Нажатие и удерживание ножного выключателя 110 отключает контроллеры управления 120 от управления хирургическими инструментами (от управления манипуляторами 301, 302, 303 с хирургическими инструментами) и включает и позволяет выполнить управление движением манипулятора 320 с камерой 500. В этом режиме оба контроллера 120, правый и левый, работают одновременно. Когда педаль 110 будет отпущена, контроллеры управления 120 опять будут управлять хирургическими инструментами. В этом случае система автоматического управления 200 получает от контроллера управления 120 данные о трех поступательных и трех вращательных степенях свободы и генерирует на их основе три поступательных и три вращательных перемещения манипулятора с хирургическим инструментом. При нажатой педали 110 управления камерой достаточным является генерирование трех поступательных степеней свободы. Таким образом, производится блокировка вращательных степеней свободы контроллеров управления 120. The automatic control system 200, based on the data received from the controllers 120 and the signal from the pedals 110, generates control commands that can be directed both to the manipulators 301, 302, 303 with surgical instruments and to the camera manipulator 320. Pressing and holding footswitch 110 disables controllers 120 from operating surgical instruments (from operating manipulators 301, 302, 303 with surgical instruments) and enables and allows movement of manipulator 320 with camera 500. In this mode, both controllers 120, right and left work at the same time. When the pedal 110 is released, the controllers 120 will again operate the surgical instruments. In this case, the automatic control system 200 receives data on three translational and three rotational degrees of freedom from the control controller 120 and generates on their basis three translational and three rotational movements of the manipulator with a surgical instrument. When the camera pedal 110 is depressed, it is sufficient to generate three translational degrees of freedom. Thus, the rotational degrees of freedom of the controllers 120 are locked.

Изображение оперируемой области, транслируемое стереоскопической камерой 500, доступно хирургу на мониторе 130 системы визуализации. The image of the area to be operated, broadcast by the stereoscopic camera 500, is available to the surgeon on the monitor 130 of the imaging system.

В качестве контроллера управления предполагается использование механической конструкции 600 с параллельной структурой, вид которой приведен на фигуре 3. Данная конструкция 600 позволяет обеспечить по меньшей мере три поступательные степени свободы путем возвратно-поступательного движения механизма по трем взаимно ортогональным осям, указанным на фигуре 3, которые являются достаточными для управления манипулятором камеры в составе роботохирургического комплекса. Изображенный контроллер управления 600 состоит из по меньшей мере двух платформ: неподвижной опорной 610 и подвижной 620, - и параллельной структуры, выполненной, предпочтительно, на основе механизма типа «дельта» (дельта-робота или дельтапода), а также приводного механизма, который приводит в движение дельта-робот, обеспечивая при этом минимальный люфт. As a control controller, it is proposed to use a mechanical structure 600 with a parallel structure, the view of which is shown in figure 3. This structure 600 allows you to provide at least three translational degrees of freedom by reciprocating movement of the mechanism along three mutually orthogonal axes indicated in figure 3, which are sufficient to control the camera arm in the composition of the robotic surgical complex. The depicted controller 600 consists of at least two platforms: a fixed support 610 and a movable 620, and a parallel structure, preferably made on the basis of a delta-type mechanism (delta robot or deltapod), as well as a drive mechanism that drives into the movement of the delta robot, while ensuring minimal backlash.

Дельта-робот состоит из трех рычагов 630, расположенных под углом 120° относительно друг друга и прикрепленных к опорной платформе 610. Преимуществом конструкции дельта-робота является использование параллелограммов, содержащих штанги 640 постоянной длины, расположенные попарно параллельно и соединенные между собой с помощью карданных шарниров. Параллелограммы одним концом соединены за соответствующие рычаги 630, а вторым концом связаны с подвижной платформой 620. Такая конструкция позволяет сохранять пространственную ориентацию механизмов робота. При этом подвижная платформа 620 всегда расположена параллельно опорной платформе 610. Соединение рычагов 630 с опорной платформой 610 производится через верхние подшипниковые узлы 650, чтобы обеспечить необходимые углы для исходного состояния дельта-робота. Верхние подшипниковые узлы 650 закреплены на опорной платформе 610. Установленные на верхние подшипниковые узлы 650 рычаги 630 на центрах соединения образуют равносторонний треугольник, углы которого влияют на размер полезной рабочей области дельта-робота. Увеличивая длину рычага, увеличивается ход по оси Z. Размеры при перемещении по осям X и Y задаются параллелограммами. The delta robot consists of three arms 630, located at an angle of 120 ° relative to each other and attached to the support platform 610. The advantage of the delta robot design is the use of parallelograms containing rods 640 of constant length, arranged in parallel in pairs and connected to each other by means of cardan joints ... The parallelograms are connected at one end by the corresponding levers 630, and at the other end are connected to the movable platform 620. This design allows you to maintain the spatial orientation of the robot mechanisms. In this case, the movable platform 620 is always parallel to the support platform 610. The connection of the arms 630 to the support platform 610 is made through the upper bearing assemblies 650 to provide the necessary angles for the initial state of the delta robot. The upper bearing assemblies 650 are fixed to a support platform 610. Mounted on the upper bearing assemblies 650, the levers 630 form an equilateral triangle at the centers of the connection, the angles of which affect the size of the useful working area of the delta robot. Increasing the length of the arm increases the Z travel. The dimensions for X and Y travel are given by parallelograms.

Для управления тремя вращательными степенями свободы к подвижной платформе 620 контроллера управления 600 крепится ручка, реализованная одним из любых известных способов. В рамках данной заявки конструкция подобной ручки не рассматривается. To control the three rotational degrees of freedom, a handle is attached to the movable platform 620 of the controller 600 using any of the known methods. The design of such a handle is beyond the scope of this application.

Использование параллельной структуры обеспечивает высокую точность позиционирования, уменьшает нагрузку на руки оператора, увеличивает диапазон перемещения рук и сводит к минимуму ограничения на способность хирурга манипулировать хирургическими инструментами, включая камеру. The use of a parallel structure provides high positioning accuracy, reduces stress on the operator's arms, increases the range of movement of the arms, and minimizes restrictions on the surgeon's ability to manipulate surgical instruments, including the camera.

Воспроизведение команд от контроллера управления в непосредственные перемещения камеры осуществляется механическим манипулятором, который способен осуществлять движение по меньшей мере в трех поступательных степенях свободы и обеспечивать вращение вокруг продольной оси устройства, на котором крепится камера (эндоскопа). The reproduction of commands from the control controller to the direct movement of the camera is carried out by a mechanical manipulator, which is capable of moving in at least three translational degrees of freedom and providing rotation around the longitudinal axis of the device on which the camera (endoscope) is attached.

Блок-схема 700 алгоритма работы контроллера управления приведена на фигуре 4. A block diagram 700 of the control controller operation algorithm is shown in FIG. 4.

В начальный момент времени, на первом этапе работы 710, хирург садится за консоль управления и начинает взаимодействие с контроллерами управления (с левым и с правым),At the initial moment of time, at the first stage of work 710, the surgeon sits down at the control console and begins to interact with the controllers (left and right),

На втором этапе работы 720 принимают актуальное значение педали управления Р. At the second stage of operation 720, the current value of the control pedal P. is taken.

На третьем этапе работы 730 осуществляют сравнение управляющего сигнала Р от педали с нулевым значением для определения режима работы контроллера управления. In a third step of operation 730, the pedal control signal P is compared with zero to determine the operating mode of the control controller.

В режиме работы хирургическими инструментами, когда педаль отпущена (на систему автоматического управления поступает управляющий сигнал Р от педали, равный нулю), каждый контроллер управления хирурга с постоянной частотой передает данные о трех поступательных и трех вращательных степенях свободы в систему автоматического управления (этап 750). Данные можно представить в виде двух различных векторов: In the mode of operation with surgical instruments, when the pedal is released (the control signal P from the pedal, equal to zero, is sent to the automatic control system), each the surgeon's control controller at a constant rate transmits the three translational and three rotational degrees of freedom data to the automatic control system (step 750). Data can be represented as two different vectors:

D = [DX,DY,DZ]T — поступательные координаты R = [Rx, RY, RZ]T — вращательные координаты D = [D X , D Y , D Z ] T - translational coordinates R = [R x , R Y , R Z ] T - rotational coordinates

В режиме управления манипуляторами с хирургическими инструментами с контроллеров в систему автоматического управления поступают пакеты с шестью координатами. In the control mode of manipulators with surgical instruments, packets with six coordinates are sent from the controllers to the automatic control system.

При нажатии на педаль, отвечающую за переключение в режим управления манипулятором камеры, в случае, если на этапе 730 управляющий сигнал с педали отличен от нуля, то вращательные степени свободы на правом и левом контроллере блокируются (этап 740), оставляя возможность лишь для поступательных перемещений. Кроме того, сигнал с педали и данные о трех поступательных степенях свободы, поступаемые с контроллеров управления, передаются в систему автоматического управления (этап 750), тем самым уведомляя систему о начале управления манипулятором камеры. When you press the pedal responsible for switching to the camera manipulator control mode, if at step 730 the control signal from the pedal is different from zero, then the rotational degrees of freedom on the right and left controller are blocked (step 740), leaving the possibility only for translational movements ... In addition, the pedal signal and the three translational degrees of freedom data from the controllers are passed to the automatic control system (step 750), thereby notifying the system that the camera manipulator has begun to operate.

Камера широко определяется в данной заявке как любое устройство, структурно сконфигурированное с возможностью формирования стереоизображения, будучи введенной в тело пациента. Изображение операционного поля может быть получено оптически с помощью волоконной оптики, объективов и миниатюризированных систем формирования изображений, например, с помощью видеоэндоскопа (далее - эндоскоп). A camera is broadly defined in this application as any device structurally configured to generate a stereo image when inserted into a patient's body. An image of the operating field can be obtained optically using fiber optics, objectives and miniaturized imaging systems, for example, using a video endoscope (hereinafter referred to as an endoscope).

Камера вводится в организм через отверстие в теле пациента. Точка/плоскость входа определяется как «нулевая точка», поскольку все перемещения инструмента или камеры в теле пациента обеспечиваются двумя вращательными степенями свободы относительно этой точки и одной линейной степенью свободы. В «нулевой точке» располагается троакар для дополнительной фиксации инструментов и камеры. Также существует «нулевая точка камеры» в локальной системе координат камеры, относительно котороой изменяет свое положение вектор положения камеры с началом в «нулевой точке» и с концом, совпадающим с фактическим положением конца камеры. У камеры есть поле обзора, зависящее от характеристик объектива камеры. Камера передает изображение только той части операционного поля, которая попала в поле обзора. The camera is inserted into the body through an opening in the patient's body. The entry point / plane is defined as the "zero point" since all movements of the instrument or camera in the patient's body are provided by two rotational degrees of freedom about this point and one linear degree of freedom. A trocar is located at the “zero point” for additional fixation of instruments and a camera. There is also a "zero point of the camera" in the local coordinate system of the camera, relative to which the position vector of the camera changes its position with the beginning at the "zero point" and with the end coinciding with the actual position of the end of the camera. The camera has a field of view that depends on the characteristics of the camera lens. The camera transmits an image of only that part of the surgical field that fell into the field of view.

Поле зрения камеры может иметь область, сконфигурированную для того, чтобы быть видимой камерой в любой момент времени. The camera's field of view can have an area configured to be visible to the camera at any given time.

Когда камера движется, область поля зрения перемещается вместе с камерой, что позволяет визуально обследовать операционную область. От особенностей перемещения камеры зависит и изменение области видимости. При этом хирургу должна быть гарантирована однозначность в понимании перемещения камеры и связанного с этим перемещения/изменения поля зрения в пределах операционного поля. As the camera moves, the field of view moves with the camera, allowing you to visually inspect the operating area. The change in the field of view also depends on the peculiarities of camera movement. In this case, the surgeon must be guaranteed unambiguity in understanding the movement of the camera and the associated movement / change of the field of view within the operating field.

Особое внимание уделяется манипулятору, работа которого должна ориентироваться на некоторые особенности, которые возникают в силу специфики роботохирургии. Так как хирургические инструменты, а также стереокамера вводятся в тело пациента через отверстия, в которое вставляется троакар, то изменения положения осуществляются относительно «нулевой точки». Particular attention is paid to the manipulator, the work of which should be guided by some features that arise due to the specifics of robotic surgery. Since surgical instruments, as well as a stereo camera are introduced into the patient's body through the holes, the trocar is inserted, the position changes are made relative to the "zero point".

С целью упрощения математического аппарата и структуры системы автоматического управления локальная система координат манипулятора описывается сферической системой координат, перемещения в которой осуществляются углами f,q относительно «нулевой точки» вокруг продольной и поперечной осей, а так же радиуса выдвижения камеры R относительно «нулевой точки». Координаты (cp.O.R) образуют локальную сферическую систему координат манипулятора. In order to simplify the mathematical apparatus and structure of the automatic control system, the local coordinate system of the manipulator is described by a spherical coordinate system, in which movements are carried out by angles f, q relative to the "zero point" around the longitudinal and transverse axes, as well as the radius of the camera extension R relative to the "zero point" ... Coordinates (cp.O.R) form the manipulator's local spherical coordinate system.

Локальная система координат механического манипулятора может рассматриваться как изменение длины камеры R, а также наклоны f, q в обе стороны относительно «нулевой точки» вокруг продольной и поперечной осей. Это достаточный набор координат, при помощи которого можно воспроизводить управляющие команды, сгенерированные для манипулятора камеры. Расположение локальной сферической системы координат с началом в «нулевой точке» показано на фигуре 5. На фигуре 5 изображен узел манипулятора, к которому крепится камера с помощью средств крепления с возможностью изменения ее ориентации и положения. The local coordinate system of a mechanical manipulator can be considered as a change in the camera length R, as well as tilts f, q in both directions relative to the "zero point" around the longitudinal and transverse axes. This is a sufficient set of coordinates with which you can reproduce the control commands generated for the camera manipulator. The location of the local spherical coordinate system with the origin at the "zero point" is shown in figure 5. Figure 5 shows the manipulator assembly to which the camera is attached by means of fastening with the possibility of changing its orientation and position.

Кроме сферической системы координат движения манипулятора можно описать в декартовой ортогональной системе координат с началом в «нулевой точке» (фигура 6). Плоскость CU в данном случае будет параллельна плоскости нижней платформы манипулятора (не показана на чертеже), а ось OZ перпендикулярна данной плоскости и положительно направлена от «нулевой точки» в сторону конца стереоскопической камеры. In addition to the spherical coordinate system, the movement of the manipulator can be described in the Cartesian orthogonal coordinate system with the origin at the "zero point" (figure 6). The CU plane in this case will be parallel to the plane of the lower platform of the manipulator (not shown in the drawing), and the OZ axis is perpendicular to this plane and is positively directed from the "zero point" towards the end of the stereoscopic camera.

На фигурах 7-9 продемонстрированы изменения положения конца камеры при изменении каждой координаты в отдельности. Фигура 7 отображает изменение длины камеры относительно «нулевой точки». Данная координата в локальной системе координат отвечает за приближение либо отдаление от оперируемой рабочей области. Важно отметить, что в рамках моделирования изменения положения механические особенности манипулятора не рассматриваются, а уделяется внимание тому, как изменяется положение камеры при изменении определенной координаты. Фигура 8 отражает изменение наклона камеры относительно продольной оси, что позволяет хирургу изменять положение в операционном поле вдоль продольной оси в поле обзора. Изменение наклона камеры относительно поперечной оси показано на фигуре 9. Такое изменение позволяет хирургу изменять положение в операционном поле вдоль поперечной оси в поле обзора. Таким образом, любое положение камеры в операционном поле возможно однозначно определить при помощи данных трех локальных координат для механического манипулятора, на который крепится камера. Figures 7-9 show changes in the position of the end of the camera when changing each coordinate separately. Figure 7 depicts the change in the length of the chamber relative to the "zero point". This coordinate in the local coordinate system is responsible for approaching or moving away from the operated work area. It is important to note that within the framework of modeling a change in position, the mechanical features of the manipulator are not considered, but attention is paid to how the position of the camera changes when a certain coordinate is changed. Figure 8 reflects the change in the tilt of the camera relative to the longitudinal axis, which allows the surgeon to change the position in the operating field along the longitudinal axis in the field of view. Changing the tilt of the camera with respect to the transverse axis is shown in figure 9. This change allows the surgeon to change the position in the operating field along the transverse axis in the field of view. Thus, any position of the camera in the operating field can be unambiguously determined using these three local coordinates for the mechanical manipulator on which the camera is attached.

На фигуре 10 в качестве примера показана траектория движения камерного манипулятора (траектория конца камеры) только при изменении угла наклона вдоль продольной оси Q, при постоянных значениях угла наклона вдоль поперечной оси и координаты длины камеры f и R. В этом случае камера будет двигаться по внутренней поверхности сферы с радиусом, равным R. Figure 10 shows as an example the trajectory of movement of the camera manipulator (trajectory of the end of the camera) only when the angle of inclination along the longitudinal axis Q is changed, at constant values of the angle of inclination along the transverse axis and the coordinates of the camera length f and R. In this case, the camera will move along the inner the surface of a sphere with a radius equal to R.

Но при этом контроллер управления перемещается в своей собственной ортогональной декартовой системе координат. Различие в локальных системах координат между контроллером и манипулятором приводит к тому, что хирургу приходится производить дополнительные движения контроллером, что при длительной операции может приводить к преждевременной усталости и ошибкам при удержании заданного операционного поля. Уменьшение количества совершаемых хирургом движений является одним из критериев повышения качества операции. However, the controller moves in its own orthogonal Cartesian coordinate system. The difference in local coordinate systems between the controller and the manipulator leads to the fact that the surgeon has to make additional movements with the controller, which, during a long operation, can lead to premature fatigue and errors when holding a given operating field. Reducing the number of movements performed by the surgeon is one of the criteria for improving the quality of the operation.

Рассмотрим случай, при котором необходимо переместить поле зрения камеры относительно исследуемого объекта на заданной высоте (фигура 11). На фигуре 11А схематически приведены перемещения руки хирурга в декартовой системе координат контроллера управления, которые обеспечивают необходимое движение камерным манипулятором. Для перемещения поля зрения камеры относительно исследуемого объекта хирургу необходимо первоначально переместить контроллер в том же направлении. Стоит учитывать, что камерный манипулятор осуществляет движение по внутренней поверхности сферы радиусом, равным длине стереоскопической камеры от «нулевой точки». Перемещение камеры в декартовой системе координат манипулятора камеры отображено на фигуре 11Б. Let us consider the case in which it is necessary to move the field of view of the camera relative to the object under study at a given height (Figure 11). Figure 11A schematically shows the movements of the surgeon's hand in the Cartesian coordinate system of the control controller, which provide the necessary movement of the chamber manipulator. To move the field of view of the camera relative to the object under study, the surgeon must first move the controller in the same direction. It should be borne in mind that the camera manipulator moves along the inner surface of the sphere with a radius equal to the length of the stereoscopic camera from the "zero point". The movement of the camera in the Cartesian coordinate system of the camera manipulator is shown in figure 11B.

Условные обозначения, приведенные на фигуре 11: 10 - начальное и промежуточное положение руки оператора; 20 - итоговое положение руки оператора; 30 - начальное и промежуточное положение камеры, 40 - итоговое положение камеры, 50 - направление перемещения, 60 - исследуемый объект, 70 - «нулевая точка» камеры. Legend shown in figure 11: 10 - initial and intermediate position of the operator's hand; 20 - the final position of the operator's hand; 30 - initial and intermediate position of the camera, 40 - final position of the camera, 50 - direction of movement, 60 - object under study, 70 - "zero point" of the camera.

Далее хирургу необходимо вручную компенсировать то расстояние, на которое изменилось положение камеры относительно первоначального расстояния от исследуемого объекта. Таким образом, как следует из фигуры 11 , хирург за два блока движений приводит камеру в нужную ему позицию. Например, для осуществления движения камерного манипулятора вдоль одной оси ОХ по радиусу, хирургу пришлось выполнять два движения - вдоль оси ОХ в том же направлении, что и манипулятор, и вдоль оси OZ, в сторону исследуемого объекта, чтобы компенсировать отклонение, вызванное движением по радиусу, и тем самым обеспечить линейное перемещение. Further, the surgeon must manually compensate for the distance by which the position of the camera has changed relative to the initial distance from the object under study. Thus, as follows from figure 11, the surgeon brings the camera to the desired position in two blocks of movements. For example, to move the camera manipulator along one axis OX along the radius, the surgeon had to perform two movements - along the OX axis in the same direction as the manipulator, and along the OZ axis, towards the object under study in order to compensate for the deviation caused by movement along the radius , and thus provide linear movement.

Помимо погрешностей при совершении дополнительных движений хирургом, для того, чтобы переместить камеру из одной координаты в другую, восприятие хирургом изображений также может вносить искажения, которые возникают из-за разности системы координат контроллера управления и камеры. При таком управлении отсутствует интуитивность управления камерой, так как на прямолинейное движение контроллера управления вынужденно осуществляется наклонное движение исполнительного устройства (манипулятора с камерой), что приводит к расхождениям в восприятии хирургом. В связи с этим для управления камерой хирургу необходимо дополнительно обучаться и привыкать. In addition to errors in additional movements by the surgeon, in order to move the camera from one coordinate to another, the surgeon's perception of images can also introduce distortions that arise due to the difference in the coordinate system of the control controller and the camera. With such control, there is no intuitive control of the camera, since the rectilinear movement of the control controller is forced to oblique movement of the actuator (manipulator with the camera), which leads to discrepancies in the perception of the surgeon. In this regard, to control the camera, the surgeon needs additional training and getting used to.

Способ компенсации движения камеры позволит менять положение конца камеры в одной плоскости, равноудаленной от оперируемой области и зависящей лишь от глубины погружения камеры относительно «нулевой точки». Данное скомпенсированное движение облегчит управление камерой в операционном поле за счет управления и воспроизведения движения камеры в аналогичных декартовых системах координат. В конечном счете, это приводит к нивелированию различий в локальных системах координат задающего и исполнительного устройств, что повышает интуитивность управления камерой для хирурга, исключает лишние действия со стороны оператора и уменьшает число движений контроллера управления хирургом, что приводит к повышению качества и эффективности проводимых операций. The method of compensation of camera movement will allow changing the position of the end of the camera in one plane, equidistant from the operated area and depending only on the depth of immersion of the camera relative to the "zero point". This compensated movement will facilitate camera control in the operating field by controlling and reproducing camera movement in similar Cartesian coordinate systems. Ultimately, this leads to a leveling of differences in the local coordinate systems of the master and actuator, which increases the intuitiveness of camera control for the surgeon, eliminates unnecessary operator actions and reduces the number of movements of the surgeon control controller, which leads to an increase in the quality and efficiency of operations.

На фигурах 12А, 12Б и 12В показаны траектории движения кончика камеры в декартовой системе координат (движение по внутренней поверхности сферы с радиусом равным R) и скомпенсированный вид данный траектории (движение по прямой) после применения предлагаемого способа компенсации движения камеры при изменении угла наклона вдоль продольной оси при зафиксированных координатах длины камеры и угла наклона вдоль поперечной оси на контроллере управления, при изменении угла наклона вдоль поперечной оси при зафиксированных координатах длины камеры и угла наклона вдоль продольной оси на контроллере управления и при изменении углов наклона камеры вдоль продольной и поперечной оси при зафиксированной координате длины камеры. Figures 12A, 12B and 12C show the trajectories of the camera tip in the Cartesian coordinate system (movement along the inner surface of a sphere with a radius equal to R) and the compensated view of this trajectory (straight-line movement) after applying the proposed method of compensating for camera movement when changing the angle of inclination along the longitudinal axes at fixed coordinates of the camera length and tilt angle along the transverse axis on the control controller, when changing the tilt angle along the transverse axis at fixed coordinates of the camera length and tilt angle along the longitudinal axis on the control controller and when changing the camera tilt angles along the longitudinal and transverse axes with fixed camera length coordinate.

Кроме того, при наклонах камерного манипулятора относительно «нулевой точки» (фигура 8, фигура 9) возникает отклонение средней линии кадра от линии горизонта. Данное искажение возникает из-за описанного выше движения в сферической системе координат. In addition, when the camera manipulator is tilted relative to the "zero point" (figure 8, figure 9), there is a deviation of the center line of the frame from the horizon line. This distortion occurs due to the motion described above in a spherical coordinate system.

Более подробно совершаемое контроллером движение и отклонение средней линии кадра от линии горизонта продемонстрировано на фигуре 13. Фигура 13А показывает изображение в кадре при нулевом угле наклона а манипулятора камеры. Фигура 13Б показывает изображение в кадре при положительном угле наклона а манипулятора камеры а - угол между средней линией кадра и линией горизонта. Фигура 13В отражает необходимое движение рук оператора для восстановления линии горизонта в декартовой системе координат контроллера. In more detail, the movement made by the controller and the deviation of the center line of the frame from the horizon line is shown in figure 13. Figure 13A shows the image in the frame at zero tilt angle a of the camera manipulator. Figure 13B shows the image in the frame with a positive tilt angle a of the camera manipulator a - the angle between the middle line of the frame and the horizon line. Figure 13B depicts the required hand movement of the operator to reconstruct the horizon line in the controller's Cartesian coordinate system.

Условные обозначения, приведенные на фигуре 13: 11- линия горизонта, 12 - средняя линия кадра, 13 - изображение исследуемого объекта, 10 - начальное положение руки оператора, 20 - итоговое положение руки оператора, 50 - направление движения. Legend shown in figure 13: 11 - horizon line, 12 - middle line of the frame, 13 - image of the investigated object, 10 - initial position of the operator's hand, 20 - final position of the operator's hand, 50 - direction of movement.

Расхождение между средней линией кадра и линией горизонта устраняется поворотом эндоскопа вокруг собственной продольной оси в сторону, противоположную наклону (фигура 13В). Обычно оператор совершает данную процедуру вручную, при наличии такой технической возможности, заложенной в конструкцию манипулятора. The discrepancy between the center line of the frame and the horizon line is eliminated by rotating the endoscope around its own longitudinal axis in the direction opposite to the inclination (Figure 13B). Usually, the operator performs this procedure manually, if there is such a technical capability incorporated into the design of the manipulator.

Для перехода в режим вращения эндоскопом, оператор нажимает педаль, которая передает сигнал в систему автоматического управления и контроллеры управления. Вращение осуществляется одновременным перемещением обоих контроллеров вдоль окружности по или против часовой стрелки в заданной плоскости. Диаметр окружности является расстоянием между контроллерами. To switch to the endoscope rotation mode, the operator presses the pedal, which transmits a signal to the automatic control system and controllers. Rotation is carried out by simultaneously moving both controllers along a circle clockwise or counterclockwise in a given plane. The diameter of the circle is the distance between the controllers.

Таким образом, процесс выравнивания линии горизонта в кадре является периодической процедурой для хирурга, что приводит к совершению дополнительных движений рукой. Thus, the process of aligning the horizon line in the frame is a periodic procedure for the surgeon, which leads to additional hand movements.

Автоматизация процессов выравнивания линии горизонта и перемещения поля зрения камеры относительно исследуемого объекта исключит лишние действия со стороны оператора и уменьшит число движений контроллером. Automation of the processes of leveling the horizon line and moving the field of view the camera relative to the investigated object will eliminate unnecessary actions on the part of the operator and reduce the number of movements by the controller.

Дополнительным функционалом, который требует реализации при создании системы управления камерным манипулятором, является необходимость масштабирования движений манипулятора с камерой в плоскости XY в зависимости от координаты z. Данная необходимость вызвана тем, что чем выше находится стереокамера над исследуемым объектом или пространством, тем меньшие перемещения необходимо осуществлять манипулятором для обзора рабочей области. Схематично алгоритм изменения масштаба камерного манипулятора приведен на фигуре 14. На фигуре 14А показано приращение координаты по оси X для контроллера управления хирурга в декартовой системе координат контролера управления. На фигуре 14Б показано изменение положения камеры при совершении перемещения контроллером управления в декартовой системе координат манипулятора камеры. An additional functionality that needs to be implemented when creating a control system for a camera manipulator is the need to scale the movements of the manipulator with the camera in the XY plane depending on the z coordinate. This need is due to the fact that the higher the stereo camera is above the object or space under study, the less movements must be made by the manipulator to view the working area. A schematic of the algorithm for changing the scale of the camera manipulator is shown in figure 14. Figure 14A shows the increment of the coordinate along the X axis for the surgeon's control controller in the Cartesian coordinate system of the control controller. Figure 14B shows the change in the position of the camera when the control controller moves in the Cartesian coordinate system of the camera manipulator.

Условные обозначения, приведенные на фигуре 14: 10 - начальное и промежуточное положение руки оператора, 20 - итоговое положение руки оператора, 30 - начальное и промежуточное положение камеры, 40 - итоговое положение камеры, 50 - направление перемещения, 70 - нулевая точка камеры. Legend shown in figure 14: 10 - initial and intermediate position of the operator's hand, 20 - final position of the operator's hand, 30 - initial and intermediate position of the camera, 40 - final position of the camera, 50 - direction of movement, 70 - zero point of the camera.

Рассмотрим перемещение камерного манипулятора с применением масштабирования движения в плоскости XZ (фигура 14). Задающее движение контроллера DC для обоих случаев одинаково, отличается координата z в локальной декартовой системе координат - проекция длины эндоскопической камеры от «нулевой точки» до конца на локальную ось OZ - DZi> DZ . В первом случае камера отдалена от «нулевой точки» на большее расстояние, чем во втором. При этом, для задающего одинакового движения DC перемещение DCi> DC не одинаковы, что и обеспечивает корректный масштаб движений. Consider the movement of a camera manipulator using XZ motion scaling (Figure 14). The defining motion of the DC controller is the same for both cases, the z coordinate in the local Cartesian coordinate system is different - the projection of the endoscopic camera length from the "zero point" to the end onto the local OZ axis - DZi> DZ. In the first case, the camera is at a greater distance from the "zero point" than in the second. At the same time, for DC, which specifies the same movement, the displacement DCi> DC are not the same, which ensures the correct scale of movements.

В настоящее время существующие подходы к управлению камеры не используют какие- либо программные либо аппаратные способы компенсации движения камеры в плоскости, а воспроизводят его прямолинейно, реагируя на управляющую команду перемещения контроллера вдоль одной оси как изменение наклона относительно той же оси манипулятора. Currently, existing approaches to camera control do not use any software or hardware methods to compensate for camera movement in a plane, but reproduce it in a straight line, responding to a control command to move the controller along one axis as a change in tilt relative to the same axis of the manipulator.

Такой подход на практике легко реализуем и гарантирует достаточный набор данных для управления камерой, но не обеспечивает высокое качество управления, так как различия в задающей и исполняющей системах координат не позволяют хирургу интуитивно взаимодействовать с комплексом, что приводит к дополнительным движениям контроллером хирургом, увеличивает время операционного вмешательства, может приводить к преждевременной усталости и ошибкам. This approach is easily implemented in practice and guarantees a sufficient set of data for camera control, but does not provide high quality control, since differences in the master and execution coordinate systems do not allow the surgeon to intuitively interact with the complex, which leads to additional movements of the controller by the surgeon, increases the operating time. interference can lead to premature fatigue and errors.

В связи с тем, что в ответ на прямолинейное движение контроллера управления осуществляется наклонное перемещение исполнительного устройства, хирургу приходится постоянно учитывать этот факт при управлении камерой. Таким образом, для существующих способов управления камерой хирургу необходимо дополнительно обучаться и привыкать, так как данные движения не интуитивны, требуют определенных навыков в осознании и оценке увиденного .1.1 я последующего управления. Due to the fact that in response to the rectilinear movement of the control controller, an oblique movement of the actuator is carried out, the surgeon must constantly take this fact into account when controlling the camera. Thus, for the existing methods of controlling the camera, the surgeon needs additional training and getting used to, since these movements are not intuitive and require certain skills in comprehending and assessing what he saw. .1.1 i follow-up management.

Предлагаемый способ компенсации плоскости движения камеры подразумевает внедрение дополнительных алгоритмов в систему автоматического управления. Автоматизация процессов выравнивания линии горизонта и масштабирования движений камеры позволит увеличить интуитивность управления и снизить утомляемость хирурга. The proposed method for compensating the plane of camera movement implies the introduction of additional algorithms into the automatic control system. Automating the horizontal alignment and zooming of camera movements will increase intuitive control and reduce surgeon fatigue.

Описываемый способ для управления перемещением камерного манипулятора, входящего в состав роботизированной хирургической системы согласно настоящему изобретению, выполнен с возможностью уменьшения количества перемещений стереокамеры, визуализирующей хирургическую область, в операционном поле. The described method for controlling the movement of the camera manipulator included in the robotic surgical system according to the present invention is adapted to reduce the number of movements of the stereo camera that visualizes the surgical area in the operating field.

Подробная функциональная схема управления камерой приведена на фигуре 15. A detailed functional diagram of the camera control is shown in Figure 15.

На схеме приведены основные этапы выполнения заявленного способа, а именно, передача данных с контроллеров управления, анализ и обработка полученных данных путем применения последовательных алгоритмов преобразования координат камерного манипулятора с момента получения системой автоматического управления от контроллеров абсолютных координат положения руки хирурга и состояния педали. The diagram shows the main stages of the implementation of the claimed method, namely, data transfer from controllers, analysis and processing of the data obtained by applying sequential algorithms for transforming the coordinates of the camera manipulator from the moment the automatic control system receives the absolute coordinates of the position of the surgeon's hand and the state of the pedal from the controllers.

Система автоматического управления выполняет четыре последовательных алгоритма, первые два из которых предназначены для выполнения основной функции - управления манипулятором, а два дополнительных позволяют компенсировать указанные выше недостатки. The automatic control system performs four sequential algorithms, the first two of which are designed to perform the main function - manipulator control, and two additional ones allow to compensate for the above disadvantages.

Детальные шаги предлагаемого способа представлены ниже. The detailed steps of the proposed method are presented below.

Локальная система координат, связанная с контроллером управления, содержит информацию о положении контроллера в виде трех поступательных декартовых координат D =The local coordinate system associated with the control controller contains information about the position of the controller in the form of three translational Cartesian coordinates D =

OcL \Rx OcL \ Rx

DY и трех вращательных координат R = Ry D Y and three rotational coordinates R = Ry

DZ\ Ш D Z \ W

От правого контроллера хирурга в систему автоматического управления передаются вектора R!t, Dr. ОТ левого контроллера хирурга в систему автоматического управления передаются вектора The vectors R! T , D r are transmitted from the right controller of the surgeon to the automatic control system. Vectors are transmitted from the left controller of the surgeon to the automatic control system

RL’ DL-RL 'DL-

При нажатии педали управления камерным манипулятором включается режим управления камерой, сигнал с педали передается не только в систему автоматического управления, но и в контроллеры, которые блокируют вращательные степени свободы, а вектора RR И RL обнуляются: When the camera manipulator control pedal is pressed, the camera control mode is activated, the signal from the pedal is transmitted not only to the automatic control system, but also to the controllers that block the rotational degrees of freedom, and the R R and R L vectors are reset to zero:

Rx — RY — Rz 0, отсюда следует, что

Figure imgf000020_0001
R x - R Y - R z 0, it follows that
Figure imgf000020_0001

ΌΌ

RR = R L 0 0 RR = R L 0 0

Для управления камерным манипулятором достаточно трех поступательных степеней свободы, описываемых вектором D. Полученные системой автоматического управления вектора обрабатываются с использованием алгоритма дифференцирования и объединения движения. Управление осуществляется при помощи относительного перемещения контроллера с момента начала управления камерой, инициализированного нажатием на педаль. Таким образом, увеличивается гибкость системы управления.

Figure imgf000021_0001
To control the camera manipulator, three translational degrees of freedom are sufficient, described by the vector D. The vectors obtained by the automatic control system are processed using the algorithm for differentiating and combining motion. Control is carried out using the relative movement of the controller from the moment the camera starts control, initialized by pressing the pedal. Thus, the flexibility of the control system is increased.
Figure imgf000021_0001

Управление камерой осуществляется обоими контроллерами одновременно. Таким образом, далее суммируется относительное перемещение каждого из контроллеров:

Figure imgf000021_0002
The camera is controlled by both controllers at the same time. Thus, the following summarizes the relative movement of each of the controllers:
Figure imgf000021_0002

Полученный вектор AD можно масштабировать, инвертировать, вращать вокруг ортогональных осей, составлять композиции поворотов. Любую из перечисленных математических операций можно осуществить при помощи векторного произведения. The resulting AD vector can be scaled, inverted, rotated around orthogonal axes, and composited with turns. Any of the listed mathematical operations can be performed using a cross product.

Далее осуществляют масштабирование. Масштабирование представляет собой векторное произведение AD и строки S = [S^, SY,SZ\, содержащей коэффициенты масштабирования для каждой координаты.

Figure imgf000021_0003
Further scaling is carried out. Scaling is a cross product of AD and the line S = [S ^, S Y , S Z \, containing the scaling factors for each coordinate.
Figure imgf000021_0003

Операция масштабирования происходит в блоке масштабирования и интегрирования. Полученное на предыдущем этапе отмасштабированное приращение контроллеров хирурга прибавляется к текущему положению камерного манипулятора в его локальной декартовой системе координат.

Figure imgf000021_0004
The scaling operation takes place in the scaling and integration unit. The scaled increment of the surgeon's controllers obtained at the previous stage is added to the current position of the chamber manipulator in its local Cartesian coordinate system.
Figure imgf000021_0004

Таким образом, в блок компенсации движения в плоскости поступает расчетное положение камерного манипулятора в локальной декартовой системе координат. Thus, the in-plane motion compensation unit receives the calculated position of the camera manipulator in the local Cartesian coordinate system.

Для управления манипулятором необходимо перевести рассчитанные декартовы координаты в сферические. В связи с этим важны операции перевода векторов из одной системы координат в другую. Перевод из декартовой в сферическую систему координат осуществляется следующими алгебраическими преобразованиями:

Figure imgf000022_0001
To control the manipulator, it is necessary to convert the calculated Cartesian coordinates into spherical ones. In this regard, the operations of transferring vectors from one coordinate system to another are important. Conversion from Cartesian to spherical coordinate system is carried out by the following algebraic transformations:
Figure imgf000022_0001

Помимо алгоритма компенсации движения манипулятора в плоскости, необходимо также реализовать алгоритм сопоставления линии горизонта со средней линией кадра, заключающийся в вычислении величины угла расхождения между линией горизонта и средней линией кадра, зависящей от углов наклона f и Q. Расхождение средней линии кадра с линией горизонта вычисляется в блоке компенсации горизонта согласно формуле:

Figure imgf000022_0002
In addition to the algorithm for compensating for the manipulator's movement in the plane, it is also necessary to implement an algorithm for comparing the horizon line with the middle line of the frame, which consists in calculating the value of the angle of divergence between the horizon line and the center line of the frame, depending on the tilt angles f and Q. The divergence of the center line of the frame with the horizon line is calculated in the horizon compensation block according to the formula:
Figure imgf000022_0002

На заключительном этапе способа согласно настоящему изобретению полученные данные одновременно передают на блок управления движениями манипулятора с закрепленной на нем камерой для ее перемещения внутри пациента с целью отображения операционного поля. При этом манипулятор с камерой осуществляет как поступательные движения для компенсации движения камеры и контроллеров управления, так и поворот вокруг своей продольной оси для нивелирования линии горизонта и средней линии кадра получаемого с камеры изображения. Перечисленные выше этапы предлагаемого способа, осуществляемые с помощью автоматической системы управления камерным манипулятором, описаны согласно блок-схеме 800, представленной на фигуре 16. At the final stage of the method according to the present invention, the obtained data is simultaneously transmitted to the manipulator movement control unit with the camera attached to it for its movement inside the patient in order to display the surgical field. In this case, the manipulator with the camera carries out both translational movements to compensate for the movement of the camera and controllers, and rotation around its longitudinal axis to level the horizon line and the center line of the frame of the image obtained from the camera. The above steps of the proposed method, carried out using the automatic control system of the camera manipulator, are described in accordance with the block diagram 800 shown in FIG. 16.

На этапе (810) получают данные о перемещении правого и левого контроллеров управления хирурга. На следующем этапе (820) определяют, поступал ли сигнал с педали. В том случае, если на систему автоматического управления поступает сигнал с педали, переключающей контроллеры в режим управления камерой, инициируется сигнал о начале работы системы автоматического управления камерным манипулятором. At step (810), movement data of the surgeon's right and left controllers is obtained. In the next step (820), it is determined whether the signal is from the pedal. In the event that a signal is sent to the automatic control system from the pedal that switches the controllers to the camera control mode, a signal is initiated to start the operation of the automatic control system of the camera manipulator.

На этапе (830) актуальные данные, поступившие с контроллера, поступают последовательно в вычислительный блок производных для правого и левого контроллеров, по приращению которых находится суммарное перемещение. At step (830), the actual data received from the controller is sequentially sent to the calculating unit of derivatives for the right and left controllers, the increment of which is the total movement.

На следующем этапе (840) данное перемещение обязательно масштабируют с учетом отдаления эндоскопа от нулевой точки. At the next stage (840), this movement is necessarily scaled taking into account the distance of the endoscope from the zero point.

На этапе (850) происходит интегрирование полученного приращения с позицией манипулятора в его декартовой системе координат. Данная скомпенсированная плоскость движения переводится в сферические координаты манипулятора f,q, IΪ, на основе которых на этапе (860) вычисляют величину компенсации линии горизонта Rz°mp . Полученный набор данных (f,q, R, Rz°mp) передают на камерный манипулятор (этап 870). После чего этапы повторяют. At step (850), the resulting increment is integrated with the position of the manipulator in its Cartesian coordinate system. This compensated plane of motion is translated into the spherical coordinates of the manipulator f, q, IΪ, on the basis of which, at step (860), the compensation value of the horizon line R z ° mp is calculated. The resulting data set (f, q, R, R z ° mp ) is transmitted to the camera manipulator (step 870). Then the steps are repeated.

Предложенный способ управления движением камеры добавляет интуитивно понятное взаимодействие с роботохирургическим комплексом и повышает эффективность проведения роботохирургической операции. The proposed method for controlling camera movement adds an intuitive interaction with the robotic surgical complex and increases the efficiency of the robotic surgery.

Принцип работы компенсации перемещений камеры основывается на переходе от одной системы координат в другую, что позволит хирургу работать в аналогичных системах координат как для задающего устройства, так и для исполнительного. В свою очередь, такая работа позволит хирургу практически сразу управлять камерой, так как управление становится интуитивно понятным. Для хирурга отпадет необходимость в приобретении дополнительных навыков управления камерой, так как скомпенсированное движение камеры точным образом воспроизводит положение камеры в соответствии с управляющими командами оператора. Применяемые алгоритмы компенсации линии горизонта и алгоритмы масштабирования позволяют уменьшить среднее время позиционирования манипулятора с камерой в теле пациента для наблюдения за операционным полем и уменьшить количество движений рук хирурга. The principle of operation of the compensation of camera movements is based on the transition from one coordinate system to another, which will allow the surgeon to work in similar coordinate systems for both the master and the actuator. In turn, such work will allow the surgeon to control the camera almost immediately, since the control becomes intuitive. There is no need for the surgeon to acquire additional camera control skills, since the compensated camera movement accurately reproduces the position of the camera in accordance with the operator's control commands. The applied algorithms for the compensation of the horizon line and the scaling algorithms make it possible to reduce the average time of positioning the manipulator with the camera in the patient's body to observe the operating field and to reduce the number of movements of the surgeon's hands.

Сведения полученные в результате экспериментов и подтверждающие снижение времени позиционирования манипулятора с камерой в теле пациента что приводит к снижению времени операционного вмешательства и снижению количества движений рук хирурга что повышает интуитивность и эффективность управления манипулятором камерыInformation obtained as a result of experiments and confirming a decrease in the time of positioning the manipulator with the camera in the patient's body, which leads to a decrease in the time of surgical intervention and a decrease in the number of movements of the surgeon's hands, which increases the intuitiveness and efficiency of control of the camera manipulator

Лабораторные испытания проводились с использованием манипулятора камеры, показанного на фигуре 17. Применение способа управления движением камеры во время проведения хирургической операции согласно настоящему изобретению позволяет уменьшить количество движений для позиционирования манипулятора камеры с целью отображения операционной зоны и снизить время операционного вмешательства. Laboratory tests were carried out using the camera manipulator shown in Figure 17. The use of the method for controlling camera movement during surgery according to the present invention reduces the number of movements for positioning the camera manipulator to display the operating area and reduce the time of surgery.

Такой результат достигается за счет комплексного применения алгоритма компенсации плоскости при линейных движениях манипулятора камеры и алгоритма компенсации горизонта. This result is achieved due to the complex application of the plane compensation algorithm for linear movements of the camera manipulator and the horizon compensation algorithm.

Проверка работоспособности алгоритма компенсации плоскости производилась за счет выполнения линейных перемещений манипулятором камеры вдоль декартовых осей X и Y в системе координат манипулятора камеры с использованием контроллера хирурга. При этом производилось наблюдение за проекцией на ось Z расстояния от произвольной точки исследуемого объекта до нулевой точки манипулятора. The operability of the plane compensation algorithm was tested by performing linear movements of the camera manipulator along the Cartesian X and Y axes in the coordinate system of the camera manipulator using the surgeon's controller. At the same time, the projection on the Z-axis of the distance from an arbitrary point of the object under study to the zero point of the manipulator was observed.

На фигуре 17 представлено начальное положение манипулятора камеры в сферических координатах f = 0°, Q = 0°, R = 110мм, что соответствует координатам в декартовой системе координат манипулятора х = 0мм, у = 0мм, z = 110мм. Figure 17 shows the initial position of the camera manipulator in spherical coordinates f = 0 °, Q = 0 °, R = 110mm, which corresponds to coordinates in the Cartesian coordinate system of the manipulator x = 0mm, y = 0mm, z = 110mm.

На фигуре 18 представлена позиция манипулятора камеры в положении, достигаемом при перемещении контроллера хирурга в декартовой системе координат из точки х = 0 мм, у = 0 MM, Z = 100мм В точку х = 50мм, у = 0 мм, z = 100мм. Алгоритм компенсации плоскости принудительно отключен, что приводит к следующим координатам в сферической системе координат манипулятора камеры f = 0°, Q = 30°, R = 110мм, в декартовой системе координат манипулятора х = 0мм, у = 55мм, z = 95мм. Можно видеть, что при описываемом перемещении происходит изменение координаты z манипулятора камеры в его декартовой системе координат, что соответствует изменению проекции расстояния на ось Z от нулевой точки манипулятора до исследуемого объекта. На фигуре 19 представлены кадры последовательного движения манипулятора камеры при принудительно отключенном алгоритме компенсации плоскости. На всех кадрах обозначена нулевая точка и траектория движения конца камеры. Figure 18 shows the position of the camera manipulator in the position achieved by moving the surgeon's controller in the Cartesian coordinate system from the point x = 0 mm, y = 0 MM, Z = 100mm To the point x = 50mm, y = 0 mm, z = 100mm. The plane compensation algorithm is forcibly disabled, which leads to the following coordinates in the spherical coordinate system of the camera manipulator f = 0 °, Q = 30 °, R = 110mm, in the Cartesian coordinate system of the manipulator x = 0mm, y = 55mm, z = 95mm. It can be seen that during the described movement there is a change in the z coordinate of the camera manipulator in its Cartesian coordinate system, which corresponds to a change in the projection of the distance onto the Z axis from the zero point of the manipulator to the object under study. Figure 19 shows frames of the sequential movement of the camera manipulator when the plane compensation algorithm is forcibly disabled. On all frames, the zero point and the trajectory of the end of the camera are indicated.

На фигуре 20 представлена позиция манипулятора камеры в положении, достигаемом при перемещении контроллера хирурга в декартовой системе координат из тонки х = 0мм, у = 0 MM, Z = 100мм В точку х = 50мм, = 0 мм, z = 100мм. При этом алгоритм компенсации плоскости включен, что приводит к следующим координатам в сферической системе координат манипулятора камеры f = 0°, Q = 30°, R = 127мм, в декартовой системе координат манипулятора х = 0мм, у = 65мм, z = 110мм. Figure 20 shows the position of the camera manipulator in the position achieved by moving the surgeon's controller in the Cartesian coordinate system from thin x = 0mm, y = 0 MM, Z = 100mm To point x = 50mm, = 0mm, z = 100mm. In this case, the plane compensation algorithm is turned on, which leads to the following coordinates in the spherical coordinate system of the camera manipulator f = 0 °, Q = 30 °, R = 127mm, in the Cartesian coordinate system of the manipulator x = 0mm, y = 65mm, z = 110mm.

Можно видеть, что при описываемом перемещении не происходит изменения координаты z манипулятора камеры в его декартовой системе координат, что соответствует сохранению длины проекции расстояния на ось Z от нулевой точки манипулятора до исследуемого объекта. На фигуре 21 представлены кадры последовательного движения манипулятора камеры при включенном алгоритме компенсации плоскости. На всех кадрах обозначена нулевая точка и траектория движения конца камеры. It can be seen that the described movement does not change the z coordinate of the camera manipulator in its Cartesian coordinate system, which corresponds to the preservation of the projection length of the distance on the Z axis from the zero point of the manipulator to the object under study. Figure 21 shows frames of the sequential movement of the camera manipulator when the plane compensation algorithm is enabled. On all frames, the zero point and the trajectory of the end of the camera are indicated.

Проверка работы алгоритма компенсации горизонта производилась за счет передачи управляющего воздействия вдоль декартовой оси X в системе координат контроллера, при этом начальное положение манипулятора камеры в его сферической системе координат было ненулевым и равнялось f = 0°, Q = 20°, R = 110мм. На фигуре 22 представлена последовательность изображений исследуемого объекта, нанесенная на проекцию траектории движения манипулятора камеры. Можно видеть, что нанесенная на исследуемый объект линия, параллельная линии горизонта, в исходном положении параллельна средней линии кадра. При осуществлении движения без использования алгоритма компенсации горизонта происходит поворот линии вокруг оси R манипулятора камеры в его сферической системе координат, зависящий от угла f. The operation of the horizon compensation algorithm was checked by transmitting the control action along the Cartesian X axis in the controller's coordinate system, while the initial position of the camera manipulator in its spherical coordinate system was nonzero and was equal to f = 0 °, Q = 20 °, R = 110mm. Figure 22 shows a sequence of images of the object under study, plotted on the projection of the trajectory of the camera manipulator. You can see that the line drawn on the object under study, parallel to the horizon line, in the initial position is parallel to the center line of the frame. When moving without using the horizon compensation algorithm, the line rotates around the R axis of the camera manipulator in its spherical coordinate system, depending on the angle f.

Применение алгоритма компенсации горизонта позволяет сохранить параллельность линии горизонта и средней линии кадра за счет автоматического поворота камеры вокруг оси R в сферической системе координат манипулятора камеры. На фигуре 23 представлена последовательность кадров, нанесенная на траекторию движения манипулятора камеры. Исходная позиция манипулятора камеры в сферической системе координат равнялась f = 0°, Q = 20°, R = 110мм, управляющее воздействие осуществлялось вдоль декартовой оси X в системе координат контроллера. Показано, что нанесенная на исследуемый объект линия, параллельная линии горизонта, остается параллельной средней линии кадра на любом участке траектории, что достигается за счет вычисления необходимого угла поворота алгоритмом компенсации. The use of the horizon compensation algorithm allows maintaining the parallelism of the horizon line and the center line of the frame due to the automatic rotation of the camera around the R axis in the spherical coordinate system of the camera manipulator. Figure 23 shows a sequence of frames plotted on the trajectory of the camera manipulator. The initial position of the camera manipulator in the spherical coordinate system was f = 0 °, Q = 20 °, R = 110mm, the control action was carried out along the Cartesian X-axis in the controller's coordinate system. It is shown that the line drawn on the object under study, parallel to the horizon line, remains parallel to the center line of the frame at any part of the trajectory, which is achieved by calculating the required rotation angle by the compensation algorithm.

Исследование эффективности проводилось за счет измерения времени, количества движений при многократном изменении области обзора в режиме позиционирования камеры. В исследовании принимали участие врачи-хирурги с опытом работы на робот- ассистированном комплексе. The study of efficiency was carried out by measuring the time, the number of movements with multiple changes in the field of view in the camera positioning mode. The study involved surgeons with experience working on a robotic-assisted complex.

На объекте операционного поля были нанесены несколько контрольных точек, перед хирургом-оператором была поставлена задача осуществления перемещения камеры между ними в заданной последовательности, что моделирует процесс перемещения камеры в процессе проведения робот-ассистированной операции. Изображение объекта операционного поля и изображение кадра первой контрольной точки представлены на фигуре 24. Several control points were plotted on the object of the operating field; the operator-surgeon was tasked with moving the camera between them in a predetermined sequence, which simulates the process of moving the camera during the robotic-assisted operation. The image of the object of the operating field and the image of the frame of the first control point are shown in figure 24.

Было проведено две серии измерений: без использования алгоритмов компенсации плоскости и горизонта и с их использованием. Результаты серий опытов после статистической обработки приведены на фигурах 25 и 26. Two series of measurements were carried out: without using the algorithms for compensation of the plane and horizon, and with their use. The results of the series of experiments after statistical processing are shown in Figures 25 and 26.

Показано, что использование разработанных методов и алгоритмов компенсации позволяет понизить среднее время позиционирования в 1.5 раза и уменьшает количество движений рук в 1.3 раза, подтверждая ранее приведенные тезисы о повышении интуитивности и эффективности управления манипулятором камеры. It is shown that the use of the developed methods and compensation algorithms allows one to reduce the average positioning time by a factor of 1.5 and reduce the number of hand movements by a factor of 1.3, confirming the previously presented theses about an increase in the intuitiveness and efficiency of control of the camera manipulator.

Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения. Although the invention has been described with reference to the disclosed embodiments, it should be apparent to those skilled in the art that the specific experiments described in detail are provided for the purpose of illustrating the present invention only and should not be construed as in any way limiting the scope of the invention. It should be understood that various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

Кроме того, хотя настоящая патентная заявка относится к объекту, определенному в прилагаемой ниже в формуле изобретения, важно отметить, что настоящая заявка на патент содержит основание для формулировки других изобретений, которые могут, например, быть заявлены как объект уточненной формулы изобретения настоящей заявки или как объект формулы изобретения в выделенной и/или продолжающей заявке. Такой объект может быть охарактеризован любым признаком или комбинацией признаков, описанных в настоящем документе. In addition, while the present patent application relates to the subject matter defined in the appended claims below, it is important to note that this patent application contains the basis for the formulation of other inventions, which may, for example, be claimed as the subject of the amended claims of the present application or as the subject of the claims in a divisional and / or continuing application. Such an object can be characterized by any feature or combination of features described herein.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM 1. Способ управления движением камеры, закрепленной на манипуляторе роботохирургического комплекса, включающего два контроллера управления роботохирургическим комплексом, каждый из которых выполнен с возможностью оцифровывания движений рук хирурга и обеспечивающий передачу векторов движения по трем поступательным и трем вращательным степеням свободы, представляющих разность между координатами контроллера управления в начальном положении и координатами контроллера управления при изменении положения руки хирурга, при этом каждый контроллер управления выполнен с возможностью переключения в режим управления камерой с помощью педали управления; по меньшей мере один манипулятор с закрепленной на нем камерой для обзора операционного поля, обеспечивающий ее перемещение по трем поступательным степеням свободы; систему автоматического управления, которая связана с обоими контроллерами управления и по меньшей мере одним манипулятором; при этом способ характеризуется следующими шагами: передача данных векторов движения по трем поступательным и трем вращательным степеням свободы правого и левого контроллера управления в систему автоматического управления с постоянной частотой, осуществление переключения контроллеров управления в режим управления камерой, закрепленной на манипуляторе, путем нажатия на педаль управления, при этом сигнал с педали управления передают в систему автоматического управления и на контроллеры управления для блокировки у последних вектора движения вращательных степеней свободы, причем после блокировки вращательных степеней свободы контроллера управления вектор вращательных координат в системе автоматического управления обнуляется; осуществление управления движением манипулятора с закрепленной на нем камерой посредством одновременного перемещения контроллеров управления и последующего выполнения следующих этапов: этап сохранения полученных векторов движения контроллеров управления в системе автоматического управления; этап обработки и объединения векторов движения правого и левого контроллера управления, характеризующих поступательные движения, для нахождения суммарного перемещения; этап масштабирования полученного на предыдущем этапе вектора перемещения; этап компенсации движения, содержащий суммирование отмасштабированного вектора перемещения и вектора текущего положения указанного манипулятора в его локальной декартовой системе координат, и перевод полученного вектора положения манипулятора из декартовой в сферическую систему координат; этап компенсации отклонения линии горизонта от средней линии кадра путем вычисления величины расхождения угла, зависящего от углов наклона камеры в сферической системе координат; этап одновременной передачи полученных на предыдущих шагах данных на исполнительные механизмы манипулятора для его поступательного перемещения и поворота вокруг продольной оси закрепленной на нем камеры. 1. A method for controlling the movement of a camera mounted on a manipulator of a robotic surgical complex, which includes two controllers for controlling the robotic surgical complex, each of which is designed to digitize the movements of the surgeon's hands and provides the transmission of motion vectors along three translational and three rotational degrees of freedom, representing the difference between the coordinates of the control controller in the initial position and coordinates of the control controller when changing the position of the surgeon's hand, with each control controller being configured to switch to the camera control mode using the control pedal; at least one manipulator with a camera attached to it for viewing the operating field, ensuring its movement in three translational degrees of freedom; an automatic control system that is associated with both controllers and at least one manipulator; the method is characterized by the following steps: transfer of motion vector data over three translational and three rotational degrees of freedom of the right and left control controller to the automatic control system with a constant frequency, switching controllers to the control mode of the camera attached to the manipulator by pressing the control pedal in this case, the signal from the control pedal is transmitted to the automatic control system and to the control controllers to block the motion vectors of the rotational degrees of freedom at the latter, and after blocking the rotational degrees of freedom of the control controller, the vector of rotational coordinates in the automatic control system is reset to zero; control of the movement of the manipulator with the camera attached to it by means of the simultaneous movement of the controllers and the subsequent execution of the following steps: the stage of storing the obtained vectors of motion of the controllers in the automatic control system; the stage of processing and combining the motion vectors of the right and left controllers, characterizing the translational movements, to find the total displacement; the stage of scaling the displacement vector obtained at the previous stage; a motion compensation stage, comprising summing the scaled displacement vector and the vector of the current position of the specified manipulator in its local Cartesian coordinate system, and translating the obtained vector of the manipulator's position from Cartesian to spherical coordinate system; the step of compensating for the deviation of the horizon line from the center line of the frame by calculating the value of the divergence of the angle depending on the angles of the camera in the spherical coordinate system; the stage of simultaneous transmission of the data obtained at the previous steps to the actuators of the manipulator for its translational movement and rotation around the longitudinal axis of the camera fixed on it. 2. Способ по и. 1, характеризующийся тем, что масштабирование вектора перемещения осуществляют с учетом отдаления камеры от нулевой точки камеры в локальной системе координат камеры, относительно которой изменяет свое положение вектор положения камеры с началом в точке вхождения камеры в отверстие в теле пациента и с концом, совпадающим с фактическим положением конца камеры. 2. The method according to and. 1, characterized in that the scaling of the displacement vector is carried out taking into account the distance of the camera from the zero point of the camera in the local coordinate system of the camera, relative to which the position vector of the camera changes with the origin at the point of entry of the camera into the hole in the patient's body and with the end coinciding with the actual end position of the camera.
PCT/RU2021/050047 2020-02-25 2021-02-25 Method for controlling a camera in a robotic surgical system Ceased WO2021173044A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020108119A RU2721461C1 (en) 2020-02-25 2020-02-25 Method of controlling a camera in a robot-surgical system
RU2020108119 2020-02-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021173044A1 true WO2021173044A1 (en) 2021-09-02

Family

ID=70735372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050047 Ceased WO2021173044A1 (en) 2020-02-25 2021-02-25 Method for controlling a camera in a robotic surgical system

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2721461C1 (en)
WO (1) WO2021173044A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2757991C2 (en) * 2020-07-06 2021-10-25 Общество с ограниченной ответственностью "Толикети" Method for automated control of a robotic operational exoscope

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090326556A1 (en) * 2008-06-27 2009-12-31 Intuitive Surgical, Inc. Medical robotic system providing computer generated auxiliary views of a camera instrument for controlling the positioning and orienting of its tip
US9188973B2 (en) * 2011-07-08 2015-11-17 Restoration Robotics, Inc. Calibration and transformation of a camera system's coordinate system
US20170189127A1 (en) * 2016-01-06 2017-07-06 Ethicon Endo-Surgery, Llc Methods, Systems, And Devices For Controlling Movement Of A Robotic Surgical System
US9907458B2 (en) * 2006-01-25 2018-03-06 Intuitive Surgical Operations, Inc. Center robotic arm with five-bar spherical linkage for endoscopic camera

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU185415U1 (en) * 2018-07-05 2018-12-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" DEVICE FOR LAPAROSCOPIC OPERATIONS

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9907458B2 (en) * 2006-01-25 2018-03-06 Intuitive Surgical Operations, Inc. Center robotic arm with five-bar spherical linkage for endoscopic camera
US20090326556A1 (en) * 2008-06-27 2009-12-31 Intuitive Surgical, Inc. Medical robotic system providing computer generated auxiliary views of a camera instrument for controlling the positioning and orienting of its tip
US9188973B2 (en) * 2011-07-08 2015-11-17 Restoration Robotics, Inc. Calibration and transformation of a camera system's coordinate system
US20170189127A1 (en) * 2016-01-06 2017-07-06 Ethicon Endo-Surgery, Llc Methods, Systems, And Devices For Controlling Movement Of A Robotic Surgical System

Also Published As

Publication number Publication date
RU2721461C1 (en) 2020-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113876434B (en) Master-slave motion control method, robot system, device and storage medium
CN107049492B (en) Surgical robot system and method for displaying position of surgical instrument
US8892224B2 (en) Method for graphically providing continuous change of state directions to a user of a medical robotic system
US8123675B2 (en) System and method for augmentation of endoscopic surgery
CN113520599B (en) Surgery assisting robot and positioning method of surgery assisting robot
CN117598791A (en) System and method for switching control between multiple instrument arms
CN111278350A (en) Positioning the camera of a surgical robotic system to capture images inside a patient's body cavity
KR20230058115A (en) Endoscope control by surgical robot
Fu et al. Augmented reality and human–robot collaboration framework for percutaneous nephrolithotomy: System design, implementation, and performance metrics
EP3973540A1 (en) Systems and methods for generating workspace volumes and identifying reachable workspaces of surgical instruments
Hong et al. Development and validation of a two‐segment continuum robot for maxillary sinus surgery
Draelos et al. Teleoperating robots from arbitrary viewpoints in surgical contexts
CN115568805B (en) Endoscopic control methods, minimally invasive surgical robots, and readable storage media
EP3664739A1 (en) Systems and methods for point of interaction displays in a teleoperational assembly
RU2721461C1 (en) Method of controlling a camera in a robot-surgical system
US12023117B2 (en) Projection of user interface pose command to reduced degree of freedom space for a surgical robot
CN119279792B (en) Endoscope motion control method and surgical robot
US20250090156A1 (en) Method and apparatus for manipulating tissue
CN119950040A (en) Control method of surgical robot system, corresponding computer-readable storage medium, program product, control device and surgical robot system
JP2023018313A (en) Surgery support system and pivot position setting method
CN118902357A (en) Endoscope motion control method, system, electronic device and storage medium
Lobontiu et al. Robotic surgery and tele-surgery: Basic principles and description of a novel concept
US20250302558A1 (en) System and methods for improving teleoperational control
CN118927305B (en) Method for testing operation errors of master hand and slave hand of robot
CN120436798A (en) Method, system and equipment for testing master-slave delay of surgical robots

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21759917

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21759917

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1