RU198063U1

RU198063U1 - DEVICE FOR POSITIONING SURGICAL INSTRUMENT IN SPACE

Info

Publication number: RU198063U1
Application number: RU2019125221U
Authority: RU
Inventors: Денис Дмитриевич Цымбал; Глеб Олегович Мареев; Олег Вадимович Мареев
Original assignee: Денис Дмитриевич Цымбал
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2020-06-16

Abstract

Полезная модель относится к медицине и ветеринарии и может быть использована при хирургических вмешательствах для удержания и позиционирования в пространстве хирургических инструментов с возможностью дистанционного управления ими.Хирургический инструмент установлен с помощью крепления на дистальном конце дистальной дугообразной направляющей. В каретке находится мотор, синхронно вращающий зубчатые передачи проксимальной и дистальной дугообразной направляющих. Вращение зубчатых передач передается на зубчатые сектора проксимальной и дистальной дугообразной направляющих. При работе устройства перемещение хирургического инструмента в одной плоскости обеспечивается за счет перемещения дистальной дугообразной направляющей относительно каретки. Синхронно по отношению к дистальной дугообразной направляющей каретка перемещается по проксимальной дугообразной направляющей к штативу при помощи мотора и зубчатых передач. Для перемещения инструмента в другой плоскости используется шарнир, на котором жестко закреплена проксимальная дугообразная направляющая. Ось шарнира проходит через центр окружности, описываемой дугообразными направляющими направляющей. Шарнир обеспечивает поворот всей системы вокруг своей оси при помощи мотора. Так как ось шарнира проходит через точку вращения - то хирургический инструмент при наклоне всегда будет оставаться проходящим через точку вращения.Таким образом, как видно из описанного выше использование устройства, содержащего две дугообразные направляющие, из которых одна подвижна относительно другой неподвижной и объединенные общей кареткой, с расположенным на ней мотором, приводящим в движение при помощи зубчатой передачи и зубчатых секторов дистальную направляющую и каретку. Это позволяет изменять длину дуги во время операции, что обеспечивает компактность данной системы, свободный доступ хирурга-ассистента к месту операции, уменьшает площадь, занимаемую устройством за операционным столом, при этом обеспечивая значительные угловые перемещения хирургического инструмента в пространстве, необходимые для проведения оперативного вмешательства. Движения подобной системы являются предсказуемыми для персонала операционной.The utility model relates to medicine and veterinary medicine and can be used in surgical interventions to hold and position surgical instruments in space with the ability to remotely control them. The surgical instrument is mounted by mounting on the distal end of the distal arcuate guide. In the carriage is a motor synchronously rotating the gears of the proximal and distal arcuate guides. The rotation of the gears is transmitted to the gear sectors of the proximal and distal arcuate guides. When the device is operating, the movement of the surgical instrument in one plane is ensured by moving the distal arcuate guide relative to the carriage. Synchronously with respect to the distal arcuate guide, the carriage moves along the proximal arcuate guide to the tripod using a motor and gears. To move the tool in another plane, a hinge is used on which the proximal arcuate guide is rigidly fixed. The hinge axis passes through the center of the circle described by the arcuate guide rails. The hinge rotates the entire system around its axis using a motor. Since the hinge axis passes through the pivot point, the surgical instrument will always remain passing through the pivot point when tilted. Thus, as can be seen from the use of the device described above, which contains two arcuate guides, one of which is movable relative to the other, fixed and united by a common carriage, with a motor located on it, which drives the distal guide and the carriage by means of a gear transmission and gear sectors. This allows you to change the length of the arc during the operation, which ensures the compactness of this system, free access for the surgeon-assistant to the place of operation, reduces the area occupied by the device at the operating table, while ensuring significant angular displacements of the surgical instrument in space, necessary for surgical intervention. The movements of such a system are predictable for operating personnel.

Description

Полезная модель относится к медицине и ветеринарии и может быть использована при хирургических вмешательствах для удержания и позиционирования в пространстве хирургических инструментов с возможностью дистанционного управления ими.The utility model relates to medicine and veterinary medicine and can be used in surgical interventions to hold and position surgical instruments in space with the ability to remotely control them.

Известны различного рода устройства, которые предназначены для удержания хирургических инструментов и позиционирования их в пространстве при выполнении различных оперативных вмешательств, как правило лапароскопических или эндоскопических. Подобные устройства можно разделить на пассивные и активные устройства. Пассивные устройства предназначены только для удержания хирургического инструментария (например, эндоскопа) в заданном положении; для изменения их положения в пространстве необходимо непосредственное участие человека. Примером пассивных устройств могут служить серийные механизмы Point Setter (Storz), StrongArm System (DB Medical). Основной недостаток таких систем - отсутствие способности к самостоятельному перемещению инструмента в пространстве, что весьма необходимо в современных условиях при проведении хирургических вмешательств.There are various kinds of devices that are designed to hold surgical instruments and position them in space when performing various surgical interventions, usually laparoscopic or endoscopic. Such devices can be divided into passive and active devices. Passive devices are designed only to hold surgical instruments (for example, an endoscope) in a given position; to change their position in space requires the direct participation of man. An example of passive devices is the serial mechanisms Point Setter (Storz), StrongArm System (DB Medical). The main disadvantage of such systems is the lack of ability to independently move the instrument in space, which is very necessary in modern conditions during surgical interventions.

Активные устройства могут не только удерживать хирургический инструмент в заданной позиции, но и изменять его положение без непосредственного воздействия на сам механизм человека, подчиняясь его дистанционным командам, фактически являясь роботизированным манипулятором.Active devices can not only hold the surgical instrument in a given position, but also change its position without directly affecting the human mechanism itself, obeying its remote commands, actually being a robotic manipulator.

Для дальнейшего рассмотрения роботизированных систем необходимо понятие о точке вращения (rotation point, rotation center). Точка вращения является местом проникновения инструмента в тело человека - через отверстие в поверхности кожи, либо через прокол, сделанный троакаром. При этом поверхность кожи будет являться точкой вращения инструмента, который ни при каких условиях не может переместиться из этой точки, так как смещение от этой точки приведет к тяжелой травме с разрывом кожных покровов. Существуют несколько способов соблюсти постулат о точке вращения при создании хирургического робота - устройства для позиционирования хирургического инструмента в пространстве. Например, точка вращения является пассивным шарниром, на конце позиционирующего механизма робота, при закреплении хирургического инструмента применяется 2 пассивных шарнира (или один сферический). Таким образом, как бы имитируется работа рук хирурга-человека. Троакар не связан в этом случае с позиционирующим его механизмом робота и перемещается за счет движений инструмента, как и в традиционной лапароскопии. Подобную концепцию использовала одна из первых роботизированных хирургических систем «ZEUS» (CA Motion, USA) [Marescaux J., Rubino F. The ZEUS robotic system: experimental and clinical applications / Surg. Clin. N. Am. - 2003. - Vol. 83. - pp. 1305-131.]. В качестве позиционирующего инструмент механизма была использована роботизированная рука типа SCARA. Подобный подход можно назвать «пассивной точкой вращения» (PRC, passive rotation center), он имеет ряд недостатков - повышенная нагрузка на тонкий длинный инструмент, возможности его изгиба, а также смещения точки вращения при оперировании; невозможность работы вне троакара - в естественных отверстиях - полости рта, глотке, трансаксиальном доступе и т.п.For further consideration of robotic systems, the concept of a rotation point, rotation center is necessary. The pivot point is the site of penetration of the instrument into the human body - through a hole in the surface of the skin, or through a puncture made by a trocar. In this case, the skin surface will be the point of rotation of the instrument, which under no circumstances can move from this point, since displacement from this point will lead to severe injury with rupture of the skin. There are several ways to comply with the postulate of the pivot point when creating a surgical robot - a device for positioning a surgical instrument in space. For example, the pivot point is a passive hinge, at the end of the positioning mechanism of the robot, when attaching a surgical instrument, 2 passive hinges (or one spherical) are used. Thus, as if imitated the work of the hands of a human surgeon. The trocar is not connected in this case with the robot positioning mechanism and moves due to the movements of the instrument, as in traditional laparoscopy. A similar concept was used by one of the first robotic surgical systems “ZEUS” (CA Motion, USA) [Marescaux J., Rubino F. The ZEUS robotic system: experimental and clinical applications / Surg. Clin. N. Am. - 2003. - Vol. 83. - pp. 1305-131.]. As a positioning tool mechanism was used robotic arm type SCARA. Such an approach can be called a “passive rotation center” (PRC), it has several disadvantages - increased load on a thin long tool, the possibility of bending it, as well as shifting the rotation point during operation; the impossibility of working outside the trocar - in the natural openings - the oral cavity, pharynx, transaxial access, etc.

При создании кинематической схемы робота можно механически вынести движения, совершаемые инструментом в точке вращения в другую точку, при этом в точке вращения движения инструмента будут копировать движения в перенесенной точке вращения. Подобная система называется «удаленная точка вращения» или «перенос точки вращения» (remote rotation center, RRC). Подобный перенос точки вращения можно выполнить при использовании сферического механизма, что имеет ряд недостатков, главный из которых - слабая предсказуемость движений изогнутых рычагов для персонала операционной, ввиду чего возможны многочисленные коллизии [Lum M.J.H., Rosen J., et al. Optimization of a Spherical Mechanism for a Minimally Invasive Surgical Robot: Theoretical and Experimental Approaches, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2006, Vol. 53, No. 7, pp. 1440-1445].When creating a kinematic diagram of the robot, it is possible to mechanically transfer the movements made by the tool at the pivot point to another point, while at the pivot point the movements of the tool will copy the movements at the transferred pivot point. Such a system is called a “remote rotation center” or “remote rotation center” (RRC). Such a transfer of the pivot point can be performed using a spherical mechanism, which has a number of drawbacks, the main of which is the poor predictability of the movements of curved levers for operating personnel, which is why numerous collisions are possible [Lum M.J.H., Rosen J., et al. Optimization of a Spherical Mechanism for a Minimally Invasive Surgical Robot: Theoretical and Experimental Approaches, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2006, Vol. 53, No. 7, pp. 1440-1445].

Однако, возможен перенос точки вращения при помощи параллелограмного механизма. При этом точки в основании параллелограмма всегда имеют одинаковый угол смещения при перемещении его сторон, что дает одну степень свободы для рабочего инструмента. Вторая степень свободы обеспечивается наклонением параллелограммного механизма шарниром, ось которого проходит через точку вращения и лежит в плоскости параллелограммного механизма. По такому принципу построена наиболее распространенная сейчас в мире хирургическая система «DA VINCI» (Intuitive Surgical, USA). [Hanly E.J., Talamini M.A. Robotic abdominal surgery // Am. J. of Surg. - 2004. - Suppl. 188. - pp. 19S-26S; Hartogs R., Schultz E. Tha DaVinci surgery system improving surgery techniques with robotics // http://136.142.82.187/eng12/Chair/pdf/4236.pdf. Retrieved 12 Sep 2014; Bodner J., Augustin F., Wykypiel H., Fish J., Mueblmann G., Wetscher G., Schmid T. The daVinci robotic system for general surgical applications: a critical interim appraisal // Swiss Med. Weekly. - 2005. - Vol. 135. - pp. 674-678] Эта схема лишена многих описанных выше недостатков.However, it is possible to transfer the pivot point using a parallelogram mechanism. The points at the base of the parallelogram always have the same angle of displacement when moving its sides, which gives one degree of freedom for the working tool. The second degree of freedom is ensured by the inclination of the parallelogram mechanism by a hinge, the axis of which passes through the rotation point and lies in the plane of the parallelogram mechanism. According to this principle, the most widespread surgical system “DA VINCI” (Intuitive Surgical, USA) is built in the world. [Hanly E.J., Talamini M.A. Robotic abdominal surgery // Am. J. of Surg. - 2004. - Suppl. 188. - pp. 19S-26S; Hartogs R., Schultz E. Tha DaVinci surgery system improving surgery techniques with robotics // http://136.142.82.187/eng12/Chair/pdf/4236.pdf. Retrieved 12 Sep 2014; Bodner J., Augustin F., Wykypiel H., Fish J., Mueblmann G., Wetscher G., Schmid T. The daVinci robotic system for general surgical applications: a critical interim appraisal // Swiss Med. Weekly - 2005. - Vol. 135. - pp. 674-678] This scheme is devoid of many of the disadvantages described above.

Точка вращения может быть жестко закреплена механически, как одна из точек вращения всего устройства, и непосредственно на нее подаваться привод. При этом инструмент будет совершать движения, возможные только в пределах степеней свободы суставов, в которых закреплен троакар. Даная схема опасна значительным числом мертвых точек, сложностью привода непосредственно в зону оперативного вмешательства и поэтому сейчас не имеет широкого распространения. Ее можно охарактеризовать как использование «активной точки вращения» (active rotation center, ARC) [Berkelman P.J., Ma J. A Compact Modular Teleoperated Robotic System for Laparoscopic Surgery // Int. J. Robotics Res. 2009].The pivot point can be rigidly fixed mechanically, as one of the pivot points of the entire device, and a drive can be directly fed to it. In this case, the instrument will make movements possible only within the degrees of freedom of the joints in which the trocar is fixed. This scheme is dangerous by a significant number of blind spots, the complexity of the drive directly into the area of surgical intervention, and therefore now is not widespread. It can be described as the use of an “active rotation center” (ARC) [Berkelman P.J., Ma J. A Compact Modular Teleoperated Robotic System for Laparoscopic Surgery // Int. J. Robotics Res. 2009].

Последняя из известных на сегодняшний день возможностей заключается в создании «программной точки вращения» (software rotation center, SRC). В данном случае устройство для позиционирования инструмента хирургического робота может быть выполнено по любой известной кинематической схеме, однако все ее движения строго просчитываются и постоянно контролируются датчиками положения, имеющимися в каждом ее шарнире и неоднократно проверяются. Возможно использование камеры и систем машинного зрения для точного наблюдения за положением инструмента в пространстве. Подобные системы сложны, и, хотя проектируются и усиленно разрабатываются в настоящее время, пока еще далеки от широкого внедрения, так как программные ограничения не соответствуют нужному уровню безопасности хирургической роботизированной системы. Такие решения используются при работе с позиционирующими инструмент устройствами антропоморфной кинематической схемы, например, экспериментальная разработка DLR MIRO [U. Hagn, М. Nickl, S.

G. Passig, Т. Bahls, A. Nothhelfer, F. Hacker, L. Le-Tien, A.

R. Konietschke, M. Grebenstein, R. Warpup, R. Haslinger, M. Frommberger, and G. Hirzinger, "The DLR MIRO: a versatile lightweight robot for surgical applications", Industrial Robot, vol. 35, issue 4, pp. 324-336, 2008].The last known feature today is to create a “software rotation center” (SRC). In this case, the device for positioning the instrument of a surgical robot can be performed according to any known kinematic scheme, however, all its movements are strictly calculated and constantly monitored by position sensors available in each of its hinges and repeatedly checked. It is possible to use a camera and machine vision systems to accurately monitor the position of the instrument in space. Such systems are complex, and although they are being designed and intensively developed at the present time, they are still far from widespread implementation, since the software limitations do not correspond to the required level of safety of the surgical robotic system. Such solutions are used when working with instrument-positioning devices of an anthropomorphic kinematic scheme, for example, the experimental development of DLR MIRO [U. Hagn, M. Nickl, S.

G. Passig, T. Bahls, A. Nothhelfer, F. Hacker, L. Le-Tien, A.

R. Konietschke, M. Grebenstein, R. Warpup, R. Haslinger, M. Frommberger, and G. Hirzinger, "The DLR MIRO: a versatile lightweight robot for surgical applications", Industrial Robot, vol. 35, issue 4, pp. 324-336, 2008].

Механизмы с параллельной кинематикой являются чрезвычайно стабильными и прочными, однако мало распространены в хирургических роботах [

М.С., Tendick F., et. al. A Laparoscopic Telesurgical Workstation // IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1999. Vol.15, No. 4, pp. 728-739]. Причиной служит невозможность организации точки вращения на механическом уровне, что считается в большинстве случаев неприемлемым для использования в хирургии на современном этапе.Mechanisms with parallel kinematics are extremely stable and durable, but are not very common in surgical robots [

M.S., Tendick F., et. al. A Laparoscopic Telesurgical Workstation // IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1999. Vol. 15, No. 4, pp. 728-739]. The reason is the impossibility of organizing a pivot point on a mechanical level, which is considered in most cases unacceptable for use in surgery at the present stage.

Существуют устройства для позиционирования хирургического инструмента в пространстве, в которых для механического выполнения постулата о точке вращения используется перемещение инструмента непосредственно по дугообразной траектории. Такими устройствами являются, например Probot [Harris S.J., et al. The Probot - an active robot for prostate resection // Proc Inst Mech Eng H. 1997; 211(4):317-25.], в котором движение осуществляется по двум дугообразным направляющим, располагающимся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и устанавливающими таким образом положение инструмента в пространстве. Обе дугообразных направляющих имеют общий центр окружностей, в котором будет находится фиксированная механически в пространстве точка вращения. Известен также механизм UT-NEU, в котором используется перемещение инструмента по дугообразной направляющей [Hata N., Masamune K., et al. Needle Insertion Manipulator for CT- and MR-Guided Stereotactic Neurosurgery // in Jolesz F.A., Young I.R., Eds, Interventional MR: Techniques and Clinical Experience, London, Martin Dunitz, 1998, pp. 99-106], выдвигающейся из корпуса устройства. Для перемещения инструмента в другой плоскости используется наклон этой направляющей в шарнире, ось которого проходит через центр окружности, описываемой дугообразной направляющей, являющийся таким образом фиксированной в пространстве механически точкой вращения инструмента.There are devices for positioning a surgical instrument in space, in which for the mechanical fulfillment of the postulate of a point of rotation, the tool is used to move the tool directly along an arcuate path. Such devices are, for example, Probot [Harris S.J., et al. The Probot - an active robot for prostate resection // Proc Inst Mech Eng H. 1997; 211 (4): 317-25.], In which the movement is carried out along two arcuate guides located in two mutually perpendicular planes and thus establishing the position of the tool in space. Both arcuate guides have a common center of circles, in which there will be a rotation point fixed mechanically in space. The UT-NEU mechanism is also known, which uses tool movement along an arcuate guide [Hata N., Masamune K., et al. Needle Insertion Manipulator for CT- and MR-Guided Stereotactic Neurosurgery // in Jolesz F.A., Young I.R., Eds, Interventional MR: Techniques and Clinical Experience, London, Martin Dunitz, 1998, pp. 99-106], sliding out of the device. To move the tool in another plane, the inclination of this guide in the hinge is used, the axis of which passes through the center of the circle described by the arc-shaped guide, which is thus mechanically fixed in space by the pivot point of the tool.

Наиболее близким является экспериментальное устройство MARS [Heining М., Hofmann U.G., Schlaefer A. Calibration of the motor-assisted robotic stereotaxy system: MARS // International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 2012, Vol. 7(6)]. Система устройства состоит из трех частей: Инструментального стола, корпуса контроллера и робота. Инструментальный стол имеет 2 цели. Первая - в него вмонтирована AC\DC силовые конвертеры, вторая - инструментальный стол используется для транспортировки системы робота. Корпус контроллера представляет собой стальную коробку, содержащую контроллеры для двигателей робота и дополнительное оборудование, необходимое для управления роботом. Он установлен под дном робота и подключается к сети переменного / постоянного тока преобразователя. Самая важная часть - робот, состоящий из основания, трех трансляционных осей, двух осей вращения и блока MicroDrive. Основание оснащено быстросъемными устройствами, чтобы установить робота в рабочий стол. Инструментальный стол, а также структурные части выполнены из углепластика. Изменение положения инструмента происходит с помощью двигателей и контроллеров, бесщеточных серводвигателей постоянного тока. Двигатели оснащены аналоговыми датчиками холла, которые используются для определения положения выходного вала двигателя. Выходной вал в свою очередь приводит в движение шпиндель, что приводит к перемещению оси. Для каждой оси используется один отдельный контроллер. Они подключаются к персональному компьютеру (ПК) через USB. В центре дуговой системы, положение наконечника инструмента зависит только от значения трансляционных осей. Кинематическая схема с дугообразной направляющей, наклоняющейся в одной плоскости при помощи шарнира, ось вращения которого проходит через центр окружности, описываемой дугообразной направляющей, по которой ходит каретка, с закрепленным в ней инструментом.The closest is the experimental MARS device [Heining M., Hofmann U.G., Schlaefer A. Calibration of the motor-assisted robotic stereotaxy system: MARS // International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 2012, Vol. 7 (6)]. The device system consists of three parts: Tool table, controller case and robot. The tool table has 2 goals. The first - AC / DC power converters are mounted in it, the second - the tool table is used to transport the robot system. The controller case is a steel box containing controllers for the robot motors and additional equipment necessary for controlling the robot. It is installed under the bottom of the robot and is connected to the AC / DC converter network. The most important part is the robot, which consists of a base, three translational axes, two rotation axes and a MicroDrive unit. The base is equipped with quick-detachable devices to install the robot on the desktop. The tool table, as well as the structural parts are made of carbon fiber. Changing the position of the tool occurs with the help of motors and controllers, brushless DC servomotors. The engines are equipped with analogue hall sensors, which are used to determine the position of the motor output shaft. The output shaft, in turn, drives the spindle, which causes the axis to move. Each axis uses one separate controller. They connect to a personal computer (PC) via USB. In the center of the arc system, the position of the tool tip depends only on the value of the translational axes. Kinematic diagram with an arcuate guide, tilting in the same plane with a hinge, the axis of rotation of which passes through the center of the circle described by the arcuate guide along which the carriage walks, with a tool fixed in it.

Недостатками прототипа являются - громоздкость, большой занимаемый объем, ограничение доступа к операционному столу и ограничение движений хирургов-ассистентов, помогающих выполнению робот-ассистированного вмешательства, в связи с тем, что аппарат занимает большую часть операционного поля. Дугообразная направляющая нависает над областью оперативного вмешательства, ограничивая обзор и возможные действия хирургического персонала. Также недостатком является отсутствие управления в процессе операции. Использование запрограммированного пути входа в организм пациента не дает возможность изменять положение эндоскопа в простанстве в динамике - нет элементов управления.The disadvantages of the prototype are - cumbersome, large amount of space, restricting access to the operating table and restricting the movements of surgeons assisting in the implementation of robot-assisted intervention, due to the fact that the device occupies most of the surgical field. An arcuate guide hangs over the area of surgical intervention, limiting the view and possible actions of surgical personnel. Another disadvantage is the lack of control during the operation. Using the programmed pathway to the patient’s body does not allow changing the position of the endoscope in space in dynamics - there are no controls.

В связи с тем, что дута имеет определенную длину, не изменяющуюся по ходу операции, и перемещение каретки происходит по всей длине дуги, это приводит к тому, что во время операции хирургу мешает неиспользуемый участок дуги. В некоторых случаях необходимо использование 2-х и более инструментов для проведения операции но, при использовании нескольких дуг проведение операции будет невозможно, т.к. все операционное поле будет занято дополнительными дугами. Инструмент на данный момент имеет только одну область применения - запрограммированные операции в нейрохирургии. Невозможно применение устройства в других областях хирургии на данном этапе.Due to the fact that the duta has a certain length, which does not change during the operation, and the carriage moves along the entire length of the arc, this leads to the fact that during the operation the unused portion of the arc interferes with the surgeon. In some cases, it is necessary to use 2 or more tools for the operation, but when using multiple arcs, the operation will be impossible, because the entire operational field will be occupied by additional arcs. The instrument currently has only one area of application - programmed operations in neurosurgery. It is not possible to use the device in other areas of surgery at this stage.

Нами предлагается устройство для позиционирования хирургического инструмента в пространстве, способное изменять длину дуги во время операции, благодаря этому неиспользуемый участок дуги не является помехой хирургу. Способность устройства изменять длину дуги во время операции обеспечивает компактность данной системы, свободный доступ хирурга-ассистента к месту операции, уменьшает площадь, занимаемую устройством за операционным столом, при этом обеспечивая значительные угловые перемещения хирургического инструмента в пространстве, необходимые для проведения оперативного вмешательства, а также позволяет использовать несколько устройств, при этом не мешая проведению операции.We propose a device for positioning a surgical instrument in space, capable of changing the length of the arc during surgery, due to this an unused portion of the arc is not an obstacle to the surgeon. The ability of the device to change the length of the arc during the operation ensures the compactness of this system, the free access of the surgeon-assistant to the place of operation, reduces the area occupied by the device at the operating table, while providing significant angular displacements of the surgical instrument in space, necessary for surgical intervention, as well as allows you to use multiple devices, while not interfering with the operation.

Предлагаемое устройство изображено на схеме Фиг. 1, гдеThe proposed device is shown in the diagram of FIG. 1 where

1 - штатив1 - tripod

2 - шарнир2 - hinge

3 - мотор, приводящий в движение шарнир3 - motor driving the hinge

4 - дугообразная проксимальная направляющая4 - arcuate proximal guide

5 - дугообразная дистальная направляющая5 - arcuate distal guide

6 - каретка6 - carriage

7 - зубчатый сектор проксимальной дугообразной направляющей7 - gear sector of the proximal arcuate guide

8 - зубчатая передача проксимальной дугообразной направляющей8 - gear proximal arcuate guide

9 - зубчатый сектор дистальной дугообразной направляющей9 - the gear sector of the distal arcuate guide

10 - зубчатая передача дистальной дугообразной направляющей10 - gear transmission of the distal arcuate guide

11 - мотор, вращающий зубчатые передачи11 - motor rotating gears

12 - крепление хирургического инструмента12 - attachment of a surgical instrument

13 - хирургический инструмент13 - surgical instrument

14 - ось шарнира14 - hinge axis

15 - дуга, описываемая дугообразными направляющими15 - arc described by arched guides

16 - точка вращения16 - pivot point

На штативе (1) закреплен шарнир (2), на шарнире (2) жестко закреплена проксимальная дугообразная направляющая (4), на которой закреплена, с возможностью перемещения по ней, каретка (6). В каретке (6) закреплена, с возможностью перемещения по дуге, дугообразная дистальная направляющая (5). На проксимальной дугообразной направляющей (4) жестко закреплен зубчатый сектор проксимальной дугообразной направляющей (7). На дистальной дугообразной направляющей (5) жестко закреплен зубчатый сектор дистальной дугообразной направляющей (9). На каретке (6) жестко закреплен мотор (11), вращающий зубчатые передачи. Вращение мотора передается синхронно на зубчатую передачу проксимальной дугообразной направляющей (8) и зубчатую передачу дистальной дугообразной направляющей (10), и затем на зубчатые сектора проксимальной и дистальной дугообразных направляющих, соответственно (7, 9). Хирургический инструмент (13) при помощи крепления (12) установлен на дугообразной дистальной направляющей (5). Ось шарнира (14) проходит через точку вращения (16) системы, которая является центром окружности, описываемой дугообразными направляющими (4, 5).A hinge (2) is fixed on a tripod (1), a proximal arcuate guide (4) is rigidly fixed on the hinge (2), on which the carriage (6) is fixed, with the possibility of movement along it. In the carriage (6) is fixed, with the possibility of movement along an arc, an arched distal guide (5). On the proximal arcuate guide (4), the gear sector of the proximal arcuate guide (7) is rigidly fixed. On the distal arcuate guide (5), the gear sector of the distal arcuate guide (9) is rigidly fixed. On the carriage (6), the motor (11), which rotates the gears, is rigidly fixed. The rotation of the motor is transmitted synchronously to the gear of the proximal arcuate guide (8) and the gear of the distal arcuate guide (10), and then to the gear sectors of the proximal and distal arcuate guides, respectively (7, 9). A surgical instrument (13) is mounted on an arc-shaped distal guide (5) using a fastener (12). The hinge axis (14) passes through the rotation point (16) of the system, which is the center of the circle described by the arcuate guides (4, 5).

Хирургический инструмент (13) установлен с помощью крепления (12) на дистальном конце дистальной дугообразной направляющей (5). В каретке (6) находится мотор (11), который синхронно вращает зубчатые передачи проксимальной и дистальной дугообразной направляющих (8, 10). Вращение зубчатых передач передается на зубчатые сектора проксимальной и дистальной дугообразной направляющих (7, 9). При работе устройства перемещение хирургического инструмента (13) в одной плоскости обеспечивается за счет перемещения дистальной дугообразной направляющей (5) относительно каретки (6). Синхронно по отношению к дистальной дугообразной направляющей (5) каретка (6) перемещается по проксимальной дугообразной направляющей (4) к штативу (1) при помощи мотора и зубчатых передач.A surgical instrument (13) is mounted using a fastener (12) at the distal end of the distal arcuate guide (5). In the carriage (6) there is a motor (11), which synchronously rotates the gears of the proximal and distal arcuate guides (8, 10). The rotation of gears is transmitted to the gear sectors of the proximal and distal arcuate guides (7, 9). During operation of the device, the movement of the surgical instrument (13) in one plane is ensured by moving the distal arcuate guide (5) relative to the carriage (6). Synchronously with respect to the distal arcuate guide (5), the carriage (6) moves along the proximal arcuate guide (4) to the tripod (1) using a motor and gears.

На фиг. 2 показано положение при котором, дистальная дугообразная направляющая (5) устройства максимально выдвинута, а каретка (6) находится в крайнем положении проксимальной дугообразной направляющей (4). На фиг. 3 показано положение, при котором каретка (6) максимально перемещена к штативу (1), дистальная дугообразная направляющая (5) максимально вдвинута в каретку (6). Таким образом происходит сокращение расстояния между хирургическим инструментом (13) и шарниром (2) и, соответственно, смещение инструмента проксимально по дуге (15), описываемой дугообразными направляющими. В данном положении (фиг. 3) дуга не нависает над операционным полем, и не является помехой для хирургов-ассистентов при проведении операции.In FIG. 2 shows the position at which the distal arcuate guide (5) of the device is maximally extended, and the carriage (6) is in the extreme position of the proximal arcuate guide (4). In FIG. Figure 3 shows the position at which the carriage (6) is maximally moved towards the tripod (1), the distal arcuate guide (5) is maximally pushed into the carriage (6). Thus, there is a reduction in the distance between the surgical instrument (13) and the hinge (2) and, accordingly, the displacement of the instrument is proximal along the arc (15) described by arched guides. In this position (Fig. 3), the arc does not hang over the surgical field, and is not an obstacle for surgical assistants during the operation.

Для перемещения инструмента в другой плоскости используется шарнир (2), на котором жестко закреплена проксимальная дугообразная направляющая (4). Ось шарнира (14) проходит через центр окружности, описываемой дугообразными направляющими направляющей. При этом хирургический инструмент (13) всегда будет оставаться проходящим через точку вращения (16), так как она является центром окружности, описываемой дугообразными направляющими (4, 5). При необходимости перемещения хирургического инструмента в другую плоскость шарнир (2) обеспечивает поворот всей системы вокруг своей оси при помощи мотора (3). Так как ось шарнира (14) проходит через точку вращения (16) - то хирургический инструмент при наклоне всегда будет оставаться проходящим через точку вращения (16). Таким образом, механически выполняется постулат о точке вращения, что является важнейшим свойством роботизированных систем для позиционирования хирургических инструментов в пространстве. На фиг. 4 показана кинематическая схема устройства для позиционирования хирургического инструмента, где: 17 - направление вращения шарнира; 18- направление движения каретки; 19 - движение инструмента по высоте, относительно точки вращения.To move the tool in another plane, a hinge (2) is used, on which a proximal arcuate guide (4) is rigidly fixed. The hinge axis (14) passes through the center of the circle described by the arcuate guide rails. In this case, the surgical instrument (13) will always remain passing through the rotation point (16), since it is the center of the circle described by arched guides (4, 5). If it is necessary to move the surgical instrument to another plane, the hinge (2) provides rotation of the entire system around its axis using a motor (3). Since the hinge axis (14) passes through the pivot point (16), the surgical tool will always remain passing through the pivot point (16) when tilted. Thus, the postulate of the pivot point is mechanically fulfilled, which is the most important property of robotic systems for positioning surgical instruments in space. In FIG. 4 shows a kinematic diagram of a device for positioning a surgical instrument, where: 17 is the direction of rotation of the hinge; 18 - direction of movement of the carriage; 19 - movement of the tool in height relative to the point of rotation.

Таким образом, как видно из описанного выше использование устройства, содержащего две дугообразные направляющие, из которых одна подвижна относительно другой неподвижной и объединенные общей кареткой, с расположенным на ней мотором, приводящим в движение при помощи зубчатой передачи и зубчатых секторов дистальную направляющую и каретку. Это позволяет изменять длину дуги во время операции, что обеспечивает компактность данной системы, свободный доступ хирурга-ассистента к месту операции, уменьшает площадь, занимаемую устройством за операционным столом, при этом обеспечивая значительные угловые перемещения хирургического инструмента в пространстве, необходимые для проведения оперативного вмешательства. Движения подобной системы являются предсказуемыми для персонала операционной.Thus, as can be seen from the above, the use of a device containing two arcuate guides, one of which is movable relative to the other, fixed and united by a common carriage, with a motor located on it, which drives the distal guide and the carriage by means of a gear transmission and gear sectors. This allows you to change the length of the arc during the operation, which ensures the compactness of this system, the free access of the surgeon-assistant to the operation site, reduces the area occupied by the device at the operating table, while ensuring significant angular displacements of the surgical instrument in space necessary for surgical intervention. The movements of such a system are predictable for operating personnel.

Claims

A device for positioning a surgical instrument in space, containing a fixed arcuate guide with a carriage mounted on it with the possibility of moving it along an arcuate guide, characterized in that it further comprises an arcuate guide located distal to the first, connected to the carriage with the possibility of moving it relative to the carriage, carriage contains a motor that provides synchronous movement of the movable arcuate guide relative to the carriage and movement of the carriage along the fixed arcuate guide, connected to the arcuate guides through gears and gear sectors, a surgical tool is installed on the movable arcuate guide, and the fixed arcuate guide is rigidly connected to a hinge mounted in a tripod wherein the hinge axis passes through the center of the circle described by the arcuate guides.