Аппаратно-программный комплекс для задания пространственного положения инструментов при малоинвазивных хирургических операциях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 617-089

Т.А. Митрофанова, В.В. Вуйко, Р.А. Здражевский, С.Н. Потахин

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЗАДАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ

ПРИ МАЛОИНВАЗИВНЫХ ХИРУРГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ

Разработан макет устройства, моделирующего работу датчика и хирургического инструмента с применением микромеханических акселерометров и лазерных указок для контроля точности направления их осей.

Пространственное положение инструментов, микромеханические акселерометры

T.A. Mitrofanova, V.V.Vuyko, R.A. Zdragewskij, S.N. Potahin

HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX FOR THE TASK OF SPATIAL POSITION OF TOOLS AT SURGICAL OPERATIONS

The breadboard model of the device modelling work of the gauge and the surgical instru-cop with application micromechanical accelerometer and laser pointers for control of accuracy of a direction of their axes is developed.

Spatial position of tools, micromechanical accelerometer

В последние годы отмечается значительное увеличение доли малоинвазивных вмешательств среди хирургических операций. «Минидоступ» и эндоскопическая техника используются сегодня в абдоминальной и торакальной хирургии, онкологии, ортопедии, ангиохирургии и даже нейрохирургии. Основное достоинство этих операций и смысл технологии в уменьшении травматизма операции, а не ее объема. Нередко хирургический доступ является более травматичным, чем вмешательство на органе. Кроме того, при малоинвазивных вмешательствах практически исключаются осложнения со стороны раны (нагноение, эвентрация, образование грыж), а также образование спаек в брюшной или иной полости. Что касается объема вмешательства, то современная техника позволяет выполнить почти все, что раньше было возможно только при «открытых» операциях.

Общей особенностью малоинвазивной абдоминальной хирургии и хирургических вмешательств в проктологии, гинекологии и оториноларингологии является ограниченный размер хирургического доступа. Доступы при этих операциях представляют своего рода «замочную скважину», через которую необходимо осмотреть большой объем внутреннего пространства пациента. Размер доступа ограничивает угол обзора для хирурга в глубине раны, что заставляет использовать или эндоскопические инструменты или специальные зеркала и ретракторы.

Учитывая современные тенденции развития медицинской техники, целесообразно использовать датчики пространственного положения хирургических инструментов. Разработка и внедрение в практику подобных устройств и программного обеспечения для определения положения инструментов и траектории их движения позволит оптимизировать выполнение малоинвазивных хирургических

вмешательств. Датчики могут располагаться на рукоятках

инструментах, эндоскопических портах, поверхности тела пациента.

Подобные устройства могут использоваться в ортопедии и травматологии при проведении «вслепую» различных

металлоконструкций (спиц, стержней, штифтов и т.д.). Предварительный расчет траектории движения инструмента позволит избежать повторных корректировок его положения после рентгенологического контроля, что, в

свою очередь, уменьшит длительность и инвазивность вмешательств.

Рис. 1. Соответствие осей акселерометра: 1 - макет датчика УЗИ с лазерной указкой; 2 - макет хирургического инструмента с лазерной указкой; 3 - акселерометры А0Х1 203; 4 - основа с шаровым механизмом

Технические характеристики акселерометра

Диапазон измеряемых углов, угл. град. ±90

Оси чувствительности

Разрешение, угл. град. 0.2

Нелинейность. °о от полной шкалы 0.2

Поперечная чувствительность. °/о 2

Температурный дрейф нуля. угл. град. °С 0.12

Плотность шумов, угл. град./\Гц 0.3-10^

Рис. 2. Пример записи сигналов

а п

Применение устройства также возможно для диагностики гиперкинезов у неврологических больных.

Разработан макет устройства, моделирующего работу датчика и хирургического инструмента, в котором применены

микромеханические акселерометры марки ЛЭХЬ203 и лазерные указки для контроля точности направления их осей. Внешний вид прибора и направления осей чувствительности акселерометров изображены на рис. 1.

К макетам датчиков прикреплены лазерные указки, свет от которых проецируется на объект. К каждой указке прикреплен акселерометр, регистрирующий

положение инструмента и датчиков.

Примененные в макете акселерометры ЛЭХЬ203 - это малопотребляющий двухосный

акселерометр с пределами измерения ±2g, выдающий аналоговый сигнал, пропорциональный ускорению вдоль каждой оси чувствительности [2].

Питание акселерометра

производится от стабилизированного источника питания с выходным напряжением 3,3 вольта. Основные технические параметры акселерометра приведены в таблице. Калибровка выходных сигналов производилась на поворотном столе КПА-5 с диапазоном углов наклона ±45°. Измерение датчиков вводилось в ПК при помощи 16-битного 8-канального конвертера «В-480».

Пример записи сигналов акселерометра по направлению Х приведен на рис. 2. Схема разворотов акселерометра при наклоне платформы приведена на рис. 3, матрица направляющих косинусов имеет вид

[^]т = N * [Хлд]т,

Рис. 3. Схема углов разворотов акселерометра

N =

cosa sin a 0

- sina*cosa cosacos p sin b

WX = Wx cos a + Wh sin a

WY = -Wx sin a cos + Wh cos a cos b + W^ sin b ' WZ = Wx sin a cos p - Wh cos a sin b + W^ cos b

Выражения для вычисления углов наклонов хирургического инструмента и датчика по отношению к вертикали имеют вид

k * u . k * u .

[' xi . fí _ У' У'

„ [ i xi о

a = - arcsm —-; р = arccos

g g cos a

где kxi, kyi - масштабные коэффициенты акселерометра; uxi, uyi - выходные системы.

Алгоритмы обработки предусматривают начальную выставку датчика и инструмента в области проведения операций и визуализацию согласования направления датчика и инструмента с помощью средств двумерной графики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нуднов Н.В. Диагностические и лечебные пункции под контролем лучевых методов визуализации / Н.В. Нуднов. Визуализация в клинике. 1995. Пилот. Вып. 28-41.

2. http://www.analog.com

Митрофанова Татьяна Александровна -

студентка Саратовского государственного технического университета

Вуйко Владимир Вячеславович -

студент Саратовского государственного технического университета

Здражевский Роман Анатольевич -

ассистент кафедры «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета

Потахин Сергей Николаевич -

кандидат медицинских наук, доцент кафедры «Общая хирургия» Саратовского государственного медицинского университета

Статья поступила вредакцию06.10.10, принята к опубликованию 18.10.10