RU2807937C1 - Multifunctional wireless device with replaceable surgical instruments for measuring their orientation angles in space and forces and moments affecting them during neurosurgical operations - Google Patents

Multifunctional wireless device with replaceable surgical instruments for measuring their orientation angles in space and forces and moments affecting them during neurosurgical operations Download PDF

Info

Publication number
RU2807937C1
RU2807937C1 RU2022120485A RU2022120485A RU2807937C1 RU 2807937 C1 RU2807937 C1 RU 2807937C1 RU 2022120485 A RU2022120485 A RU 2022120485A RU 2022120485 A RU2022120485 A RU 2022120485A RU 2807937 C1 RU2807937 C1 RU 2807937C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
axis
surgical instruments
data
orientation
surgical instrument
Prior art date
Application number
RU2022120485A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Олегович Лопухов
Андрей Александрович Воротников
Михаил Александрович Соловьёв
Юрий Викторович Подураев
Антон Юрьевич Кордонский
Андрей Анатольевич Гринь
Владимир Викторович Крылов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО МГМСУ им. А.И. Евдокимова Минздрава России)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО МГМСУ им. А.И. Евдокимова Минздрава России) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО МГМСУ им. А.И. Евдокимова Минздрава России)
Application granted granted Critical
Publication of RU2807937C1 publication Critical patent/RU2807937C1/en

Links

Abstract

FIELD: medical equipment.
SUBSTANCE: invention relates to devices and surgical instruments used in neurosurgery for work related to cutting holes in soft tissues, as well as installing or removing internal fixation devices. A wireless device for measuring orientation angles and determining the forces and moments acting on interchangeable surgical instruments during neurosurgical operations includes a hollow handle for manual operations containing a rechargeable battery for powering all electronic parts, a housing inside which is installed a six-axis inertial orientation sensor based on a gyroscope and an accelerometer, controller, signal processing module from a six-axis force and torque sensor and an external control board with a control button and LED. A six-axis force and moment sensor is attached to the end part of the body, on which a flange and a threaded removable holder with buttons are installed, allowing for quick change of surgical instruments during surgery. A six-axis force and moment sensor and a six-axis orientation sensor are connected to a controller in the housing, which, in turn, is connected via a wireless interface to the device control unit for wireless connection, control and reception of data by the user’s personal computer with the ability to record and display data in graphical, audio and light form with visual indication when the maximum specified manipulation parameters are exceeded.
EFFECT: obtaining quantitative data on the orientation angles in space of surgical instruments, forces and moments arising from the manipulation of surgical instruments during a neurosurgical operation.
1 cl, 12 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к устройствам и хирургическим инструментам, применяемым в нейрохирургии для работы, связанной с прорезанием отверстия в мягкой ткани, установкой или удалением внутренних фиксирующих устройств. Например, для выполнения операций транспедикулярной фиксации позвонков используют следующие основные хирургические инструменты: шило, зонд прямой, зонд изогнутый, метчик, устройства для завинчивания транспедикулярных винтов и гаек. В данном изобретении предлагается использование шестиосевого инерциального датчика ориентации, для определения углов ориентации устройства, далее их преобразование в линейное перемещение относительно оси вкручивания, основываясь на известных параметрах резьбы хирургического инструмента или винта-импланта. Также при взаимодействии хирургического инструмента или винта-импланта с тканью человека из-за трения возникает крутящий момент, значение величины этого момента позволяет косвенно оценить характеристику мягкой ткани. Объединение данных параметров в зависимость крутящего момента, действующего на хирургический инструмент во время хирургической манипуляции, от перемещения этого хирургического инструмента вдоль оси вкручивания (винта или метчика) позволяет составить характеристику процессов, происходящих в мягкой ткани пациента при формировании резьбы отверстия метчиком или при ввинчивании винта-импланта. Полученные данные могут быть классифицированы и использованы при дальнейшем анализе хирургических манипуляций.The invention relates to the field of medical technology, namely to devices and surgical instruments used in neurosurgery for work related to cutting a hole in soft tissue, installing or removing internal fixation devices. For example, to perform operations of transpedicular fixation of the vertebrae, the following basic surgical instruments are used: an awl, a straight probe, a curved probe, a tap, devices for screwing in pedicle screws and nuts. This invention proposes the use of a six-axis inertial orientation sensor to determine the orientation angles of the device, then converting them into linear movement relative to the screw axis, based on the known thread parameters of a surgical instrument or screw-implant. Also, when a surgical instrument or screw-implant interacts with human tissue, a torque arises due to friction; the value of this moment allows us to indirectly assess the characteristics of the soft tissue. Combining these parameters into the dependence of the torque acting on a surgical instrument during surgical manipulation on the movement of this surgical instrument along the screwing axis (screw or tap) allows us to characterize the processes occurring in the patient’s soft tissue when forming a hole thread with a tap or when screwing in a screw. implant. The obtained data can be classified and used in further analysis of surgical procedures.

Известны патенты на устройства и хирургические инструменты для проведения нейрохирургических операций, направленные на использование данных об ориентации хирургического инструмента:There are known patents for devices and surgical instruments for neurosurgical operations, aimed at using data on the orientation of the surgical instrument:

WO 2004/112610 А2 (09.06.2004) - съемное миниатюрное устройство, измеряющее ориентацию хирургического инструмента, посредством встроенных микроэлектромеханических гироскопов. Крепление устройства происходит к цилиндрической части хирургического инструмента с помощью ремешков. Вывод данных об ориентации происходит во встроенный LED экран. Данное навигационное устройство возможно использовать с очень широким набором хирургических инструментов, но крепление к корпусу на ремешки не обладает должной надежностью, также достоверность определения углов ориентации хирургического инструмента напрямую зависит от места и способа закрепления этого устройства. Применяется при протезировании нижних конечностей, для более точного контроля при использовании и инвазивных хирургических инструментов и подготовки мягкой ткани к установке импланта.WO 2004/112610 A2 (06/09/2004) - a removable miniature device that measures the orientation of a surgical instrument using built-in microelectromechanical gyroscopes. The device is attached to the cylindrical part of the surgical instrument using straps. Orientation data is output to the built-in LED screen. This navigation device can be used with a very wide range of surgical instruments, but fastening to the body with straps is not sufficiently reliable, and the reliability of determining the orientation angles of the surgical instrument directly depends on the place and method of fastening this device. It is used in prosthetics of the lower extremities, for more precise control when using invasive surgical instruments and preparing soft tissue for implant installation.

WO 2020 219925 A1 (29.10.2020) - автономное съемное миниатюрное устройство, измеряющее ориентацию объекта посредством встроенных акселерометра, гироскопа и магнитометра. Крепление устройства к хирургическому инструменту происходит посредством винтов и специальной треноги, для сигнализации хирургу о происходящих процессах присутствует небольшой встроенный LED экран и возможность проводного подключения внешнего устройства. Сбор и обработка данных не предусмотрена. Применяется в сборке с различными хирургическими устройствами: дрель, эндоскопический схват, шило, метчик, транспедикулярная отвертка. Задача устройства состоит в выводе данных об углах ориентации наклона хирургического инструмента относительно оси вкручивания.WO 2020 219925 A1 (10/29/2020) - an autonomous, removable miniature device that measures the orientation of an object using a built-in accelerometer, gyroscope and magnetometer. The device is attached to a surgical instrument using screws and a special tripod; to signal the surgeon about ongoing processes, there is a small built-in LED screen and the ability to wire connect an external device. Data collection and processing is not provided. Used in assembly with various surgical devices: drill, endoscopic grasper, awl, tap, pedicle screwdriver. The purpose of the device is to display data on the orientation angles of the surgical instrument relative to the screwing axis.

US 2015 0201918 A1 (23.07.2015) - мануальное медицинское устройство с возможностью смены хирургического инструмента и имеющее в своем составе разнообразные виды датчиков, включая акселерометр и гироскоп. Для проведения хирургических манипуляций в устройство встроен электродвигатель, питание которого происходит посредством гибкого провода, инерциальный датчик ориентации используется для компенсации отклонений от основного осевого направления сверления, вкручивания или иных манипуляций. Получение данных на персональный компьютер и их дальнейшая обработка не предусмотрена. Применяется для проведения ортопедических операций по протезированию нижних конечностей человека.US 2015 0201918 A1 (07/23/2015) - a manual medical device with the ability to change surgical instruments and incorporating various types of sensors, including an accelerometer and a gyroscope. To carry out surgical manipulations, an electric motor is built into the device, powered by a flexible wire; an inertial orientation sensor is used to compensate for deviations from the main axial direction of drilling, screwing or other manipulations. Receiving data onto a personal computer and their further processing is not provided. It is used for orthopedic surgeries for prosthetics of human lower extremities.

WO 2021/072061 А1 (08.10.2020) - устройство, устанавливаемое в ручку нейрохирургического шила, применяемого при проведении операций по транспедикулярной фиксации. Устройство измеряет углы наклона хирургического инструмента относительно аксиальной и сагиттальной плоскости, позволяя определить оптимальное направление для ввинчивания винта-импланта. Измерение ориентации происходит посредством встроенных инерциальных датчиков ориентации (связка акселерометр и гироскоп). Данные об ориентации по беспроводному интерфейсу BLE передаются на персональный компьютер, далее происходит оповещение хирурга о текущем значении угла ориентации. Данное устройство встраивается в ручку транспедикулярного шила и не имеет возможности использования с другими хирургическими инструментами.WO 2021/072061 A1 (08.10.2020) - a device installed in the handle of a neurosurgical awl used during transpedicular fixation operations. The device measures the angles of inclination of the surgical instrument relative to the axial and sagittal plane, allowing one to determine the optimal direction for screwing in the implant screw. Orientation is measured using built-in inertial orientation sensors (a combination of accelerometer and gyroscope). Orientation data is transmitted via the BLE wireless interface to a personal computer, and then the surgeon is notified of the current value of the orientation angle. This device is built into the handle of a transpedicular awl and cannot be used with other surgical instruments.

Представленные ранее устройства определяют ориентацию хирургического инструмента в пространстве, автономны и позволяют давать информацию или сигнализировать о превышении допустимого угла наклона устройства при проведении нейрохирургических операций. Но данные устройства не оснащены датчиками сил и моментов, поэтому область их применения ограничена только определением ориентации устройства и его корректировка хирургом.The previously presented devices determine the orientation of the surgical instrument in space, are autonomous and allow one to provide information or signal that the permissible angle of inclination of the device is exceeded during neurosurgical operations. But these devices are not equipped with force and moment sensors, so their scope is limited only to determining the orientation of the device and its adjustment by the surgeon.

Известны патенты на медицинские устройства с возможностью измерения силы и момента, действующих на хирургический инструмент во время проведения нейрохирургической операции:There are known patents for medical devices with the ability to measure the force and moment acting on a surgical instrument during a neurosurgical operation:

RU 2462342 С2 (25.10.2007) - система для оценки усилия в хирургическом манипуляторе для минимального инвазивного вмешательства с использованием шестиосевых датчиков сил и моментов, действующих на хирургический инструмент при проведении хирургических манипуляций. Данная система не имеет возможности мануального использования для сбора и обработки данных.RU 2462342 C2 (10.25.2007) - a system for assessing the force in a surgical manipulator for minimally invasive intervention using six-axis force and moment sensors acting on a surgical instrument during surgical procedures. This system does not have the ability to be used manually to collect and process data.

Известны патенты на устройства с возможностью одновременного измерения ориентации в пространстве хирургического инструмента и действующих на него сил:There are known patents for devices with the ability to simultaneously measure the orientation in space of a surgical instrument and the forces acting on it:

US 11135024 В2 (05.10.2021) - фланец для медицинского робота, оснащенный шестиосевым датчиком сил и моментов, действующих на хирургический инструмент, во время проведения хирургических манипуляций и инерциальным измерительным модулем. Конструкция фланца спроектирована таким образом, чтобы уменьшить время замены хирургического инструмента и сохранить универсальность применения с различными видами медицинских манипуляторов. Недостатком данного изделия является отсутствие возможного мануального применения хирургом и отсутствие возможности сбора и анализа данных о проведенных хирургических манипуляциях.US 11135024 B2 (05.10.2021) - a flange for a medical robot, equipped with a six-axis sensor of forces and moments acting on a surgical instrument during surgical procedures and an inertial measurement module. The flange design is designed to reduce surgical instrument replacement time and maintain versatility for use with various types of medical manipulators. The disadvantage of this product is the lack of possible manual use by the surgeon and the inability to collect and analyze data on the surgical procedures performed.

WO 2018/144282 А1 (24.01.2018) - автономное устройство для измерения ориентации хирургического инструмента и действующих на него силы при операции на коленном суставе. Данное устройство имеет несколько сменных хирургических инструментов. Особенность данного устройства заключается в выводе данных об измеряемых величинах непосредственно на корпус устройства, данные об ориентации выводятся на небольшой LED экран, встроенный в торец, данные о силе представляются на двухстороннем сигнальном табло. Недостатком данного устройства является одноосевой датчик силы, отсутствие системы обработки, для последующей визуализации и использования данных, невозможность использования хирургических инструментов для транспедикулярной фиксации (шила, метчика, транспедикулярной отвертки и пр.).WO 2018/144282 A1 (01/24/2018) - a stand-alone device for measuring the orientation of a surgical instrument and the forces acting on it during knee surgery. This device has several replaceable surgical instruments. The peculiarity of this device is that it displays data on measured values directly on the device body; orientation data is displayed on a small LED screen built into the end; force data is presented on a two-sided signal display. The disadvantage of this device is a single-axis force sensor, the absence of a processing system for subsequent visualization and use of data, the inability to use surgical instruments for transpedicular fixation (awl, tap, transpedicular screwdriver, etc.).

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран патент RU 2736162 С2 (29.04.2019), это устройство со сменными хирургическими инструментами для измерения воздействующих на них сил и моментов от взаимодействия с тканями пациентов при проведении нейрохирургических операций. Устройство включает в себя ручку для мануальных манипуляций, имеющую крепление с фиксатором в виде кнопки, переходной фланец для крепления шестиосевого датчика сил и моментов, шестиосевой датчик сил и моментов, и сменные хирургические инструменты, сопрягаемые с конструктивными соединениями. Однако, данное устройство не имеет возможности измерения ориентации хирургического инструмента и получение данных происходит посредством проводного интерфейса, что затрудняет работу хирурга. Также отсутствует метод обработки и комплексирования данных о крутящем моменте и линейном перемещении.Patent RU 2736162 C2 (04/29/2019) was chosen as the closest analogue (prototype), this is a device with replaceable surgical instruments for measuring the forces and moments acting on them from interaction with patient tissues during neurosurgical operations. The device includes a handle for manual manipulations having a mount with a lock in the form of a button, an adapter flange for mounting a six-axis force and moment sensor, a six-axis force and moment sensor, and interchangeable surgical instruments mated with structural connections. However, this device does not have the ability to measure the orientation of the surgical instrument and data is obtained through a wired interface, which makes the surgeon’s work difficult. There is also no method for processing and integrating torque and linear motion data.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи измерения углов ориентации в пространстве хирургического инструмента, и действующих на него сил, и моментов, возникающих от взаимодействия сменных (имеющих возможность замены) хирургических инструментов с тканями человека.The proposed invention is aimed at solving the problem of measuring orientation angles in space of a surgical instrument, and the forces acting on it, and moments arising from the interaction of replaceable (replaceable) surgical instruments with human tissue.

Технический результат - получение количественных данных об углах ориентации в пространстве хирургических инструментов, силах и моментах, возникающих от манипуляций хирургическими инструментами во время проведения нейрохирургической операции. Полученные данные обрабатываются с применением методов математической статистики и The technical result is obtaining quantitative data on the orientation angles in space of surgical instruments, forces and moments arising from the manipulation of surgical instruments during a neurosurgical operation. The obtained data is processed using methods of mathematical statistics and

результатом данных вычислений является зависимость крутящего момента, действующего на хирургический инструмент, от величины перемещения вдоль оси вкручивания устройства при проведении хирургической манипуляции с мягкой тканью человека.the result of these calculations is the dependence of the torque acting on the surgical instrument on the amount of movement along the screwing axis of the device during surgical manipulation of human soft tissue.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в многофункциональном беспроводном (для удобства хирурга) устройстве для измерения ориентации в пространстве, а также сил и моментов, действующих на хирургический инструмент, конструктивно основанном на единой ручке, в которую встроены: шестиосевой датчик сил и моментов для измерения сил и моментов, и шестиосевого инерциального датчика ориентации (гироскоп и акселерометр), измеряющего углы ориентации устройства в пространстве. Данные, получаемые с датчиков, передаются по беспроводному интерфейсу на персональный компьютер, где происходит их обработка и представление в графическом виде. Использование сменных хирургических инструментов для проведения нейрохирургических манипуляций возможно с помощью съемного соединения, в котором зажим хирургического инструмента происходит посредством кнопочно-пружинного механизма, похожая система реализована в ближайшем прототипе (аналоге). Включение и отключение происходит посредством рычажкового переключателя в многофункциональном устройстве, включение происходит перед началом проведения хирургических манипуляций и требует время на инициализацию датчиков (20 секунд).The stated problem is solved, and the stated technical result is achieved by the fact that in a multifunctional wireless (for the convenience of the surgeon) device for measuring orientation in space, as well as forces and moments acting on a surgical instrument, it is structurally based on a single handle, which has built-in: a six-axis sensor forces and moments to measure forces and moments, and a six-axis inertial orientation sensor (gyroscope and accelerometer) to measure the angles of orientation of the device in space. The data received from the sensors is transmitted via a wireless interface to a personal computer, where it is processed and presented in graphical form. The use of replaceable surgical instruments for neurosurgical manipulations is possible using a removable connection in which the surgical instrument is clamped using a push-button spring mechanism; a similar system is implemented in the nearest prototype (analog). Switching on and off occurs via a lever switch in the multifunctional device; switching on occurs before the start of surgical procedures and requires time to initialize the sensors (20 seconds).

Заявленное техническое решение позволяет, в отличие от ближайшего прототипа, определять ориентацию хирургического инструмента в 3-х мерном пространстве, не препятствовать работе хирурга (отсутствие провода) и производить дальнейшую обработку данных для представления зависимости крутящего момента от перемещения хирургического инструмента. Сигнализирование о превышении допустимого значения перемещения, сил и моментов возможно благодаря применению метода обработки данных. Метод обработки данных включает в себя три части: преобразование данных об угле поворота устройства, конвертация угла поворота в линейное перемещение, основанное на известных параметрах резьбы и фильтрация значений крутящего момента от неликвидных данных, появление которых вызвано мануальным характером использования устройства. Для использования метода аккумулирование данных происходит в удобном для математических операций формате, в данном случае используется формат .csv и .xlsx, каждый файл содержит информацию о временном отрезке манипуляции, значений сил и моментов в трехмерном пространстве (3 значения для сил и 3 значения для крутящих моментов) и включает в себя кватернион (что полностью описывает ориентацию устройства в трехмерном пространстве).The claimed technical solution allows, in contrast to the closest prototype, to determine the orientation of the surgical instrument in 3-dimensional space, not to interfere with the work of the surgeon (lack of wire) and to carry out further data processing to represent the dependence of the torque on the movement of the surgical instrument. Signaling that the permissible value of displacement, forces and moments is exceeded is possible thanks to the use of a data processing method. The data processing method includes three parts: converting data about the angle of rotation of the device, converting the angle of rotation into linear movement based on known thread parameters, and filtering torque values from illiquid data, the appearance of which is caused by the manual nature of using the device. To use the method, data is accumulated in a format convenient for mathematical operations, in this case the .csv and .xlsx format is used, each file contains information about the time period of the manipulation, the values of forces and moments in three-dimensional space (3 values for forces and 3 values for torque moments) and includes a quaternion (which completely describes the orientation of the device in three-dimensional space).

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Изобретение иллюстрируется изображениями, где:The invention is illustrated by images, where:

на фигуре 1 показана подробная внутренняя конструкция ручки многофункционального беспроводного устройства,Figure 1 shows the detailed internal structure of the handle of the multi-function wireless device,

на фигуре 2 показана подробная внутренняя конструкция корпуса многофункционального беспроводного устройства,Figure 2 shows the detailed internal structure of the multi-function wireless device housing,

на фигуре 3 показана подробная внутренняя конструкция конечного звена многофункционального беспроводного устройства,Figure 3 shows the detailed internal structure of the end link of the multi-function wireless device,

на фигуре 4 показана структурная схема системы обработки данных многофункционального устройства,Figure 4 shows a block diagram of the data processing system of a multifunctional device,

на фигуре 5 показана фотография многофункционального устройства, блока управления, набора сменных хирургических инструментов и персонального компьютера,Figure 5 shows a photograph of a multifunctional device, a control unit, a set of interchangeable surgical instruments and a personal computer,

на фигуре 6 показан алгоритм работы программного обеспечения контроллера в многофункциональном устройстве,Figure 6 shows the operating algorithm of the controller software in a multifunctional device,

на фигуре 7 показан алгоритм работы программного обеспечения блока управления устройством,Figure 7 shows the operating algorithm of the device control unit software,

на фигуре 8 показан алгоритм работы программного обеспечения человеко-машинного интерфейса,Figure 8 shows the operating algorithm of the human-machine interface software,

на фигуре 9 показан пользовательский интерфейс программного обеспечения человеко-машинного интерфейса,Figure 9 shows the user interface of the HMI software,

на фигуре 10 показан алгоритм обработки данных об ориентации устройства, сил и моментов, действующих на хирургический инструмент,Figure 10 shows an algorithm for processing data on the orientation of the device, forces and moments acting on the surgical instrument,

на фигуре 11 (а) и (б) показан график обработки данных о крутящем моменте и перемещении устройства и график зависимости крутящего момента от перемещения.Figure 11 (a) and (b) shows a graph of processing data about torque and movement of the device and a graph of torque versus movement.

Позиции, приведенные на изображениях, соответствуют следующему:The items shown in the images correspond to the following:

1. Крышка с резьбой, служащая для защиты электронных компонентов, находящихся в ручке, от влияния внешней среды.1. A cover with a thread that serves to protect the electronic components located in the handle from the influence of the external environment.

2. Гайка с наружной резьбой, служит для закрепления коннектора питания внутри ручки.2. Nut with external thread, used to secure the power connector inside the handle.

3. Разъем питания, установленный в ручке многофункционального устройства, используется для зарядки аккумулятора и передачи информации на контроллер многофункционального устройства.3. The power connector installed in the handle of the multifunction device is used to charge the battery and transmit information to the controller of the multifunction device.

4. Втулка, к которой крепится разъем питания, для установки внутрь полой ручки.4. A sleeve to which the power connector is attached, for installation inside a hollow handle.

5. Гайка для разъема питания, обеспечивающая жесткое крепление разъема питания в ручке многофункционального устройства.5. Power connector nut, which secures the power connector firmly in the handle of the multifunction device.

6. Пружина, для закрепления неподвижно аккумулятора внутри ручки многофункционального устройства.6. Spring for securing the battery motionlessly inside the handle of the multifunctional device.

7. Аккумулятор, установленный в ручке и обеспечивающий автономную работу всех электронных компонентов многофункционального устройства.7. The battery is installed in the handle and ensures autonomous operation of all electronic components of the multifunctional device.

8. Оболочка для ручки, которая обеспечивает минимальное проскальзывание и удобное использование многофункционального устройства при мануальных операциях хирургом.8. Shell for the handle, which ensures minimal slippage and comfortable use of the multifunctional device during manual operations by the surgeon.

9. Разъем для подключения шестиосевого датчика сил и моментов к плате преобразования сигнала многофункционального устройства.9. Connector for connecting a six-axis force and torque sensor to the signal conversion board of the multifunctional device.

10. Шестиосевой датчик сил и моментов, обеспечивающий измерений сил и моментов, действующих на хирургический инструмент во время проведения нейрохирургической операции.10. Six-axis force and moment sensor, providing measurements of forces and moments acting on a surgical instrument during a neurosurgical operation.

11. Полая ручка, предназначенная для мануальных манипуляций, проводимых хирургом, вмещает в себя аккумулятор и коннектор питания.11. The hollow handle, designed for manual manipulations performed by the surgeon, contains a battery and power connector.

12. Гайки, установленные в пазы на ручке, используются для жесткого крепления плат и держателя аккумулятора.12. Nuts installed in the grooves on the handle are used to firmly secure the circuit boards and battery holder.

13. Плоская деталь-прижим, для жесткого крепления аккумулятора в полости ручки.13. Flat clamp part for rigidly fastening the battery in the cavity of the handle.

14. Плата контроллера для управления многофункционального устройства, содержит гироскоп и акселерометр для определения ориентации в пространстве хирургического инструмента и устройство передачи данных через беспроводной интерфейс.14. The controller board for controlling a multifunctional device contains a gyroscope and an accelerometer for determining the orientation in space of a surgical instrument and a data transmission device via a wireless interface.

15. Стойки для крепления плат управления, обеспечивающие жесткое крепление основных электронных компонентов к торцевой поверхности ручки внутри корпуса многофункционального устройства.15. Racks for mounting control boards, providing rigid fastening of the main electronic components to the end surface of the handle inside the body of the multifunctional device.

16. Плата преобразования сигнала с шестиосевого датчика сил и моментов в цифровой сигнал, для дальнейшей передачи в контроллер многофункционального устройства.16. Board for converting the signal from a six-axis force and torque sensor into a digital signal for further transmission to the controller of a multifunctional device.

17. Деталь корпус, служащая для защиты электронных компонентов устройства от воздействия внешней среды.17. Housing part used to protect the electronic components of the device from the external environment.

18. Гайки, обеспечивающие жесткое крепление корпуса к ручке.18. Nuts that provide rigid fastening of the body to the handle.

19. Цилиндрическая деталь, удерживающая аккумулятор в полости ручки.19. A cylindrical part that holds the battery in the cavity of the handle.

20. Стойки для крепления платы преобразования сигнала к плате управления.20. Racks for attaching the signal conversion board to the control board.

21. Коннекторы для подключения платы преобразования данных с шестиосевого датчика сил и моментов к контроллеру многофункционального устройства.21. Connectors for connecting the data conversion board from a six-axis force and torque sensor to the controller of a multifunctional device.

22. Винты для крепления платы преобразования данных с шестиосевого датчика сил и моментов к стойкам крепления.22. Screws for fastening the data conversion board from the six-axis force and moment sensor to the mounting posts.

23. Винты, обеспечивающие жесткое крепление корпуса к ручке.23. Screws that provide rigid fastening of the housing to the handle.

24. Винты, обеспечивающие жесткое крепление внешней платы управления к корпусу.24. Screws that provide rigid fastening of the external control board to the housing.

25. Внешняя плата управления, имеющая управляющую кнопку в виде электромеханического рычажного переключателя и светодиод.25. External control board having a control button in the form of an electromechanical lever switch and an LED.

26. Гайки, обеспечивающие крепление внешней платы управления к корпусу.26. Nuts that secure the external control board to the housing.

27. Винты, обеспечивающие жесткое крепление корпуса к шестиосевому датчику сил и моментов.27. Screws that provide rigid fastening of the housing to the six-axis force and moment sensor.

28. Фланец крепления к шестиосевому датчику сил и моментов, который обеспечивает жесткую установку необходимых деталей и хирургических.28. Flange for attaching to a six-axis force and moment sensor, which ensures rigid installation of the necessary parts and surgical ones.

29. Винты, обеспечивающие жесткое крепление фланца к шестиосевому датчику сил и моментов многофункционального устройства.29. Screws that provide rigid mounting of the flange to the six-axis force and moment sensor of the multifunction device.

30. Зажим для чехла, накручивается на фланец и обеспечивает крепление чехла к устройству.30. Clamp for the case, screws onto the flange and secures the case to the device.

31. Кнопка для крепления к фланцу, используется для более жесткой установки хирургического инструмента во фланце, который крепится к шестиосевому датчику сил и моментов и обеспечивает быструю смену хирургического инструмента во время нейрохирургической операции.31. Flange Mount Button, used to more rigidly mount a surgical instrument into a flange, which is attached to a six-axis force and moment transducer and allows for quick changes of surgical instruments during neurosurgical surgery.

32. Кнопка для смены хирургического инструмента, позволяющая установить сменные хирургические инструменты.32. Surgical instrument change button, which allows you to install interchangeable surgical instruments.

33. Съемное крепление хирургического инструмента, обеспечивающее быструю смену хирургического инструмента во время нейрохирургической операции.33. Removable mount for surgical instrument, allowing quick change of surgical instrument during neurosurgical operation.

34. Штифт, устанавливается в паз в деталь съемное крепление, и ограничивает относительное линейного движение кнопок.34. A pin is installed in a groove in the removable mount part, and limits the relative linear movement of the buttons.

35. Пружины, используются для обеспечения работы кнопок в съемном креплении.35. Springs are used to ensure the operation of buttons in a removable mount.

36. Сменный хирургический инструмент - метчик для нарезания резьбы с цилиндрическим креплением.36. Replaceable surgical instrument - a tap for threading with a cylindrical mount.

37. Сменный хирургический инструмент - шило с цилиндрическим креплением.37. Replaceable surgical instrument - an awl with a cylindrical mount.

38. Сменный хирургический инструмент для закручивания транспедикулярных винтов с цилиндрическим креплением.38. Replaceable surgical instrument for tightening pedicle screws with cylindrical fastening.

39. Сменный хирургический инструмент для закручивания транспедикулярных гаек с цилиндрическим креплением.39. Replaceable surgical instrument for tightening transpedicular nuts with cylindrical fastening.

40. Сменный хирургический инструмент для коррекции положения транспедикулярного стержня с цилиндрическим креплением.40. Replaceable surgical instrument for correcting the position of the transpedicular rod with a cylindrical fastening.

41. Сменный хирургический инструмент пробник, изогнутый для создания канала в мягкой ткани пациента с цилиндрическим креплением.41. Replaceable surgical instrument probe, curved to create a channel in the patient's soft tissue with a cylindrical attachment.

42. Сменный хирургический инструмент пробник прямой для создания канала в мягкой ткани пациента с цилиндрическим креплением.42. Replaceable surgical instrument, straight probe for creating a channel in the patient’s soft tissue with a cylindrical mount.

43. Сменный хирургический инструмент пробник острый для создания канала в мягкой ткани пациента с цилиндрическим креплением.43. A sharp interchangeable surgical instrument for creating a channel in the patient’s soft tissue with a cylindrical mount.

44. Винт-имплант, используемый в транспедикулярной фиксации позвоночника человека.44. Screw-implant used in transpedicular fixation of the human spine.

45. Многофункциональное беспроводное устройство со сменными хирургическими инструментами для измерения их ориентации в пространстве и воздействующих на них сил и моментов при проведении нейрохирургических операций.45. Multifunctional wireless device with replaceable surgical instruments for measuring their orientation in space and the forces and moments acting on them during neurosurgical operations.

46. Блок управления многофункциональным беспроводным устройством.46. Multifunctional wireless device control unit.

47. Персональный компьютер, используемый для записи и обработки данных.47. Personal computer used for recording and processing data.

48. Программное обеспечение многофункционального беспроводного устройства.48. Multifunction wireless device software.

49. Часть пользовательского интерфейса человеко-машинного интерфейса, используемая для вывода данных с датчиков.49. Part of the HMI user interface used to output data from sensors.

50. Часть пользовательского интерфейса человеко-машинного интерфейса, используемая для управления потоком данных с устройства.50. Part of the human-machine interface user interface used to control the flow of data from a device.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Многофункциональное беспроводное устройство со сменными хирургическими инструментами для измерения их углов ориентации в пространстве и воздействующих на них сил и моментов при проведении нейрохирургических операций - это изобретение, имеющее исполнение в металле (нержавеющая медицинская сталь) и в пластике, позволяющих проводить измерения в ходе проведения хирургических манипуляций в нейрохирургии.A multifunctional wireless device with replaceable surgical instruments for measuring their orientation angles in space and the forces and moments acting on them during neurosurgical operations is an invention made in metal (stainless medical steel) and in plastic, allowing measurements to be taken during surgical procedures in neurosurgery.

Многофункциональное беспроводное устройство для измерения сил и моментов, воздействующих на хирургические инструменты и определения углов ориентации этого хирургического инструмента при проведении нейрохирургических операций показано на фигуре 1, 2 и 3 оно состоит из ручки 11, имеющую внутреннюю полость для аккумуляторной батареи 7, которая питает все электронные компоненты многофункционального устройства, и A multifunctional wireless device for measuring forces and moments acting on surgical instruments and determining the orientation angles of this surgical instrument during neurosurgical operations is shown in Figure 1, 2 and 3; it consists of a handle 11, which has an internal cavity for a battery 7, which powers all electronic multifunction device components, and

разъема проводного интерфейса 3 для подключения зарядного устройства, неподвижность разъема в ручке обеспечивается гайкой 5, которая крепит его к втулке 4 и в последствии зажимается гайкой с внешней резьбой 2. Защиту от воздействия внешней среды на аккумуляторную батарею 7 обеспечивает завинчивающаяся крышка 1, неподвижность обеспечивается пружиной 6. К ручке, посредством винтов 23 и гаек 18, жестко крепится цилиндрический корпус 17, аккумуляторная батарея 7 устанавливается внутрь полой ручки через верхнее отверстие и зажимается деталью 19 и 13, далее на стойки 20 устанавливается контроллер 14, содержащий в себе шестиосевой инерциальный датчик ориентации (акселерометр и гироскоп) и модуль беспроводной передачи данных, далее на стойки 15 и коннекторы 21 устанавливается модуль обработки сигналов с шестиосевого датчика сил и моментов 16. Также внутри корпуса установлена гибкая плоская антенна и внешняя плата управления с управляющей кнопкой в виде рычажкового переключателя и светодиодом 25, прикрученная к корпусу на винты 24 и гайки 26. На верхнюю торцевую поверхность корпуса 17, посредством винтов 27, установлен шестиосевой датчик сил и моментов 10 подключенный, посредством проводного коннектора 9 к модулю преобразования сигнала 16, который в свою очередь через два разъема для объединения плат 21, передает данные на контроллер 14. К шестиосевому датчику сил и моментов 10, посредством винтов 29 устанавливается основной фланец 28, на который последовательно, с нажатием кнопки 31, закручивается дополнительное съемное крепление для хирургического инструмента 33, и, с нажатием кнопки 32, сменный хирургический инструмент: метчик, для нарезания резьбы 36, шило 37, отвертка для закручивания транспедикулярных винтов 38, отвертка для закручивания транспедикулярных гаек 39, транспедикулярная вилка 40, пробник транспедикулярный изогнутый 41, пробник транспедикулярный прямой 42 и пробник прямой острый 43. Такое крепление позволит быстро и без проведения дополнительной стерилизации менять хирургический инструмент хирургу во время проведения нейрохирургической операции. Поверх основного фланца 28 накручивается зажим для хирургического изоляционного чехла 30. Данные об ориентации в пространстве, силах и моментах действующих на хирургический инструмент поступают на контроллер 14, он в свою очередь формирует пакет данных и отправляет их на удаленный сервер в блоке управления 46 по беспроводному интерфейсу, где они записываются в буфер и через другой беспроводной интерфейс передаются на персональный компьютер, где через человеко-машинный интерфейс отображаются в удобном для пользователя виде, а также возможна дальнейшая работа с данными, запись в лог-файл, математическая обработка и визуализация данных.wire interface connector 3 for connecting a charger, the immobility of the connector in the handle is ensured by a nut 5, which secures it to the sleeve 4 and is subsequently clamped with a nut with an external thread 2. Protection from the external environment on the battery 7 is provided by a screw cap 1, immobility is ensured by a spring 6. A cylindrical body 17 is rigidly attached to the handle by means of screws 23 and nuts 18, the battery 7 is installed inside the hollow handle through the upper hole and clamped by parts 19 and 13, then a controller 14 is installed on the racks 20, containing a six-axis inertial orientation sensor (accelerometer and gyroscope) and a wireless data transmission module, then a signal processing module from a six-axis force and torque sensor 16 is installed on the racks 15 and connectors 21. Also installed inside the case is a flexible flat antenna and an external control board with a control button in the form of a lever switch and an LED 25, screwed to the housing with screws 24 and nuts 26. On the upper end surface of the housing 17, by means of screws 27, a six-axis force and torque sensor 10 is installed, connected via a wire connector 9 to the signal conversion module 16, which in turn, through two connectors for combining boards 21, transmits data to the controller 14. The main flange 28 is installed to the six-axis force and torque sensor 10 using screws 29, onto which an additional removable mount for the surgical instrument 33 is sequentially screwed by pressing button 31, and by pressing button 32 , replaceable surgical instrument: tap for threading 36, awl 37, screwdriver for tightening pedicle screws 38, screwdriver for tightening pedicle nuts 39, transpedicular fork 40, curved transpedicular probe 41, straight transpedicular probe 42 and straight sharp probe 43. Such fastening will allow the surgeon to quickly and without additional sterilization change the surgical instrument during a neurosurgical operation. A clamp for a surgical insulating sheath 30 is screwed onto the main flange 28. Data on the orientation in space, forces and moments acting on the surgical instrument are sent to the controller 14, which in turn generates a data packet and sends it to a remote server in the control unit 46 via a wireless interface , where they are recorded in a buffer and transmitted via another wireless interface to a personal computer, where through a human-machine interface they are displayed in a user-friendly form, and further work with data, recording in a log file, mathematical processing and visualization of data is also possible.

Удаленный сервер, в блоке управления 46, для передачи данных между многофункциональным устройством и пользователем, имеет возможность подключения нескольких устройств и нескольких пользователей.The remote server, in the control unit 46, for transferring data between the multifunction device and the user, has the ability to connect multiple devices and multiple users.

Алгоритм работы программного обеспечения, исполняющийся контроллером, установленным в многофункциональном беспроводном устройстве представлен на фигуре 6. После подачи питания контроллер осуществляет инициализацию внутренних интерфейсов, для получения данных с шестиосевого инерциального датчика ориентации и шестиосевого датчика сил и моментов, далее по беспроводному интерфейсу производит подключение к серверу, при успешном исходе, начинает передачу данных в бесконечном цикле с заданной частотой, при отключении от сервера, производит повторное подключение.The software operation algorithm executed by the controller installed in the multifunctional wireless device is presented in Figure 6. After power is applied, the controller initializes the internal interfaces to receive data from the six-axis inertial orientation sensor and the six-axis force and moment sensor, then connects to the server via the wireless interface , if successful, begins transmitting data in an endless loop at a given frequency; when disconnected from the server, it reconnects.

Алгоритм работы программного обеспечения, исполняющийся контроллером системы управления представлен на фигуре 7. После подачи питания контроллер осуществляет инициализацию сервера и ожидает подключения клиентов. Сервер рассчитан на любое количество, как отправляющих, так и принимающих данные устройств. При подключении нового автономного устройства - начинается запись данных в буфер, при подключении нового клиента, ему начинается передача данных со всех автономных устройств. На всех этапах работы сервера происходит проверки на наличие ошибок, при наличии которых происходит их обработка и логирование.The software operation algorithm executed by the control system controller is presented in Figure 7. After power is applied, the controller initializes the server and waits for clients to connect. The server is designed for any number of devices, both sending and receiving data. When a new autonomous device is connected, data is written to the buffer; when a new client is connected, data transfer from all autonomous devices begins. At all stages of the server's operation, errors are checked, and if they are present, they are processed and logged.

Алгоритм работы программного обеспечения человеко-машинного интерфейса представлен на фигуре 8. На первом этапе происходит инициализация графического интерфейса приложения. Далее происходит попытка подключения к серверу системы управления в качестве принимающего клиента, при положительном результате которой, начинается получение данных, последующий их вывод в графическое окно программы, и при необходимости запись в файл. В случае отрицательного результата подключения к серверу происходит проверка на наличие ошибок. Далее происходит либо обработка ошибки, либо повторное подключение к серверу. Пользовательский интерфейс программного обеспечения представлен на фигуре 9, состоит из двух смысловых частей: поле для вывода данных с датчиков с 3D визуализацией ориентации устройства 48 и управляющей панелью, с кнопками подключения, записи и конвертации файлов с данными 49.The operating algorithm of the human-machine interface software is presented in Figure 8. At the first stage, the application's graphical interface is initialized. Next, an attempt is made to connect to the control system server as a receiving client; if the result is positive, data is received, subsequently output to the graphical window of the program, and, if necessary, written to a file. If the connection to the server is negative, a check for errors occurs. Then either the error is processed or the server is reconnected. The user interface of the software is presented in Figure 9 and consists of two semantic parts: a field for outputting data from sensors with 3D visualization of the device orientation 48 and a control panel, with buttons for connecting, recording and converting data files 49.

Алгоритм обработки данных представлен на фигуре 10. Обработка данных об угле поворота усовершенствованного многофункционального устройства заключается в поэтапной трансформации данных к наглядному и удобному виду, что позволит, на основе этих данных, получить максимально точную оценку линейного перемещения устройства. Обработка данных об ориентации устройства выполняется поэтапно и включает в себя следующие пункты:The data processing algorithm is presented in Figure 10. Processing data on the angle of rotation of an improved multifunctional device consists of a step-by-step transformation of the data into a visual and convenient form, which will allow, based on these data, to obtain the most accurate estimate of the linear movement of the device. Processing of device orientation data is carried out in stages and includes the following points:

1. Определение приращения угла поворота относительно оси Z в градусах.1. Determination of the increment of the rotation angle relative to the Z axis in degrees.

В первую очередь необходимо конвертировать кватернион поворота, полученный с устройства в угол поворота относительно оси Z в виде угла Эйлера:First of all, it is necessary to convert the rotation quaternion received from the device into the rotation angle relative to the Z axis in the form of the Euler angle:

где х, у, z, w - компоненты кватерниона вращения, полученные с устройства. Преобразуем радианы в градусы в значении угла поворота устройства относительно оси Z:where x, y, z, w are the rotation quaternion components received from the device. Let's convert radians to degrees in the angle of rotation of the device relative to the Z axis:

Для удобства расчетов переведем значения угла поворота устройства из интервала (-180; 180) в интервал (0; 360):For ease of calculations, let’s convert the device rotation angle values from the interval (-180; 180) to the interval (0; 360):

Для корректного определения приращения угла поворота в цикле, необходимо определять и исправлять значения угла поворота при переходе от 360 до 0 и от 0 до 360. Для этого в каждый момент времени определяется входит ли значение угла поворота в некоторый интервал (например, (270:90), (310:60) и т.д.), в котором переход наиболее вероятен и происходит пересчет значения приращения:To correctly determine the increment of the angle of rotation in a cycle, it is necessary to determine and correct the values of the angle of rotation during the transition from 360 to 0 and from 0 to 360. To do this, at each moment of time it is determined whether the value of the angle of rotation is included in a certain interval (for example, (270:90 ), (310:60), etc.), in which the transition is most likely and the increment value is recalculated:

где zcurr - значение угла поворота, полученное с устройства в текущей точке времени, град; zprev - значение угла поворота, полученное с устройства в предыдущей точке времени, град.where zcurr is the rotation angle value received from the device at the current point in time, degrees; zprev - rotation angle value received from the device at the previous time point, degrees.

2. Определение линейного перемещения устройства по оси Z.2. Determination of the linear movement of the device along the Z axis.

Значение дискреты (discr) для определения величины линейного перемещения из углового перемещения определяется из условия осевого перемещения винта на значение шага при одном обороте [11]:The discrete value (discr) for determining the magnitude of linear movement from angular movement is determined from the condition of axial movement of the screw by the pitch value per revolution [11]:

discr=Pscrew/360°discr=Pscrew/360°

На основе отфильтрованных данных о приращении угла поворота устройства относительно оси Z (). Суммарное линейное перемещение устройства относительно оси Z (L) выражается из суммарного углового перемещения устройства:Based on filtered data about the increment in the angle of rotation of the device relative to the Z axis (). The total linear movement of the device relative to the Z (L) axis is expressed from the total angular movement of the device:

Lsum=ϕsum⋅discrLsum=ϕsum⋅discr

Для определения актуального направления движения на каждом шаге алгоритма находим разницу текущего и предыдущего значения пути:To determine the current direction of movement at each step of the algorithm, we find the difference between the current and previous path values:

Далее следует избавиться от периодических резких падений значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент, т.к. угол поворота, а, следовательно, и крутящий момент, при мануальной хирургической манипуляции ограничен:Next, you should get rid of periodic sharp drops in the value of the torque acting on the surgical instrument, because The angle of rotation, and therefore the torque, is limited during manual surgical manipulation:

3. Фильтрация значения крутящего момента по оси Z.3. Filtering the torque value along the Z axis.

Для фильтрации момента учитываем только те моментные точки, которые измерены при соблюдении первого условия предыдущей формулы. Далее записываем значения линейного перемещения и крутящий момент действующий на хирургический инструмент, при соблюдении следующего условия:To filter the moment, we take into account only those moment points that are measured when the first condition of the previous formula is met. Next, we record the values of linear displacement and torque acting on the surgical instrument, subject to the following conditions:

Для определения актуального направления изменения крутящего момента на каждом шаге алгоритма находим разницу текущего и предыдущего значения момента:To determine the current direction of change in torque, at each step of the algorithm we find the difference between the current and previous torque values:

Далее происходит итоговая фильтрация значений крутящего момента, действующего на хирургический инструмент, по следующему условию:Next, the final filtering of the values of the torque acting on the surgical instrument occurs according to the following condition:

На основе массива отфильтрованных данных о крутящем моменте строится средняя линия. Для более качественной оценки процесса проведения хирургической манипуляции определяем значения локальных максимумов и минимумов крутящего момента по следующему условию:Based on the array of filtered torque data, a center line is constructed. For a better assessment of the process of surgical manipulation, we determine the values of local maximums and minimums of torque according to the following condition:

Для количественной оценки тренда изменения крутящего момента во время проведения хирургической манипуляции по значениям локальных максимумов и минимумов также строятся средние линии.To quantify the trend of changes in torque during surgical manipulation, average lines are also constructed based on the values of local maxima and minima.

Примером, показывающим работоспособность устройства, являются зависимости, получаемые при обработке экспериментальных данных от вкручивания винтов-имплантов. При этом, вкручивание винтов имплантов может осуществляться в материалы со свойствами, находящимися в пределах эксплуатационных характеристик шестиосевого датчика сил и моментов и шестиосевого инерциального датчика ориентации, используемых в настоящем многофункциональном устройстве. Таким образом, измеряемые предельные значения силовых характеристик и моментных характеристик находятся в значениях 500 Н и 5 Н*м. А измеряемое предельное значение скорости считывания характеристик ориентации многофункционального устройства в пространстве не превышает 100 градусов в секунду. Зависимости получаемых моментов сопротивления вращению винта-импланта в материалах иллюстрируются при помощи графиков. График обработки крутящего момента и результирующий график зависимости крутящего момента от перемещения хирургического инструмента представлен на фигуре 11 (а). Итоговый график зависимости крутящего момента от перемещения представлен на фигуре 11 (б).An example showing the performance of the device are the dependencies obtained when processing experimental data from screwing in screw-implants. In this case, the screws of the implants can be screwed into materials with properties that are within the performance characteristics of the six-axis force and moment sensor and the six-axis inertial orientation sensor used in the present multifunctional device. Thus, the measured limiting values of the force characteristics and moment characteristics are in the values of 500 N and 5 N*m. And the measured limit value of the speed of reading the characteristics of the orientation of a multifunctional device in space does not exceed 100 degrees per second. The dependences of the obtained moments of resistance to rotation of the screw-implant in the materials are illustrated using graphs. The torque processing graph and the resulting graph of torque versus surgical instrument movement are presented in Figure 11(a). The final graph of torque versus displacement is presented in Figure 11(b).

Дополнительно, результаты обработки зависимостей могут быть выражены критериями. Для этого, использовались следующие полученные ключевые критерии, количественно описывающие процесс проведения хирургической манипуляции по созданию резьбы метчиком или вкручиванию винта-импланта в мягкой ткани пациента:Additionally, the results of dependency processing can be expressed by criteria. To do this, the following key criteria were used, quantitatively describing the process of surgical manipulation to create a thread with a tap or screw an implant screw into the patient’s soft tissue:

1. Значение линейного перемещения хирургического инструмента по оси Z. (L).1. The value of the linear movement of the surgical instrument along the Z axis (L).

2. Максимальное по модулю значение крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (MZmax).2. The maximum absolute value of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis (MZmax).

3. Коэффициент наклона средней линии отфильтрованного значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (K).3. The slope coefficient of the center line of the filtered value of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis (K).

4. Смещение средней линии отфильтрованного значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (b).4. Centerline offset of the filtered torque value acting on the surgical instrument along the Z axis. (b).

5. Среднеквадратическое отклонение отфильтрованного значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z, относительно средней линии. (S).5. Standard deviation of the filtered torque value acting on the surgical instrument along the Z axis relative to the center line. (S).

6. Среднее значение крутящего момента между средними линиями по минимумам и максимумам крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (d).6. The average value of the torque between the midlines of the minimums and maximums of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis. (d).

7. Коэффициент наклона средней линии по локальным максимумам отфильтрованного значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (Kmax).7. The slope coefficient of the center line based on the local maxima of the filtered value of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis (Kmax).

8. Смещение средней линии по локальным максимумам отфильтрованного значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (bmax).8. Shift of the midline along the local maxima of the filtered value of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis (bmax).

9. Среднеквадратическое отклонение локальных максимумов отфильтрованного значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z, относительно средней линии по локальным максимумам. (Smax).9. Standard deviation of local maxima of the filtered value of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis, relative to the center line along the local maxima. (Smax).

10. Среднее значение крутящего момента между средней линией и средней линией по локальным максимумам крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (dmax).10. Average value of the torque between the center line and the center line along the local maxima of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis (dmax).

11. Коэффициент наклона средней линии по локальным минимумам отфильтрованного значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (Kmin).11. The slope coefficient of the center line based on local minima of the filtered value of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis (Kmin).

12. Смещение средней линии по локальным минимумам отфильтрованного значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (bmin).12. Shift of the center line along local minima of the filtered value of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis (bmin).

13. Среднеквадратическое отклонение локальных минимумов отфильтрованного значения крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z, относительно средней линии по локальным минимумам. (Smin).13. Standard deviation of local minima of the filtered value of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis, relative to the center line along the local minima. (Smin).

14. Среднее значение крутящего момента между средней линией и средней линией по локальным минимумам крутящего момента, действующего на хирургический инструмент по оси Z. (dmin).14. Average value of the torque between the center line and the center line along the local minima of the torque acting on the surgical instrument along the Z axis (dmin).

На фигуре 12 представлен график зависимости отфильтрованного крутящего момента (Z) от линейного перемещения (Z) с отмеченными критериями, количественно описывающими процесс проведения хирургической манипуляции.Figure 12 is a graph of filtered torque (Z) versus linear displacement (Z) with criteria noted that quantitatively describe the process of performing a surgical procedure.

Claims (1)

Беспроводное устройство для измерения углов ориентации и определения воздействующих сил и моментов на сменные хирургические инструменты при проведении нейрохирургических операций, включающее полую ручку для мануальных операций, содержащую аккумуляторную батарею, для питания всех электронных частей, корпус, внутри которого установлены шестиосевой инерциальный датчик ориентации на базе гироскопа и акселерометра, контроллер, модуль обработки сигналов с шестиосевого датчика сил и моментов и внешняя плата управления с управляющей кнопкой и светодиодом, к торцевой части корпуса прикреплен шестиосевой датчик сил и моментов, на который установлен фланец и резьбовой съемный держатель с кнопками, позволяющий быструю смену хирургических инструментов во время операции, при этом шестиосевой датчик сил и моментов и шестиосевой датчик ориентации связаны с контроллером в корпусе, который, в свою очередь, по беспроводному интерфейсу связан с блоком управления устройством для беспроводного подключения, управления и приема данных персональным компьютером пользователя с возможностью записи и отображения данных в графической, звуковой и световой форме с визуальной индикацией при превышении предельных заданных параметров манипуляции.A wireless device for measuring orientation angles and determining the forces and moments acting on interchangeable surgical instruments during neurosurgical operations, including a hollow handle for manual operations containing a rechargeable battery to power all electronic parts, a housing inside which a six-axis inertial orientation sensor based on a gyroscope is installed and accelerometer, controller, signal processing module from a six-axis force and moment sensor and an external control board with a control button and LED; a six-axis force and moment sensor is attached to the end part of the case, on which a flange and a threaded removable holder with buttons are installed, allowing quick change of surgical tools during the operation, while the six-axis force and moment sensor and the six-axis orientation sensor are connected to the controller in the housing, which, in turn, is connected via a wireless interface to the device control unit for wireless connection, control and reception of data by the user’s personal computer with the ability to record and displaying data in graphic, sound and light form with visual indication when the maximum specified manipulation parameters are exceeded.
RU2022120485A 2022-07-26 Multifunctional wireless device with replaceable surgical instruments for measuring their orientation angles in space and forces and moments affecting them during neurosurgical operations RU2807937C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2807937C1 true RU2807937C1 (en) 2023-11-21

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0902644A1 (en) * 1995-06-07 1999-03-24 John Y. Morton Device and method for measuring force systems
US20060243464A1 (en) * 2005-04-29 2006-11-02 Sdgi Holdings, Inc. Torque and angular rotation measurement device and method
EP1986563B1 (en) * 2006-02-22 2012-12-26 Hansen Medical, Inc. System and apparatus for measuring distal forces on a working instrument
EP2595587B1 (en) * 2010-07-20 2017-11-08 The Johns Hopkins University Interferometric force sensor for surgical instruments
US10905502B2 (en) * 2005-12-30 2021-02-02 Intuitive Surgical Operations, Inc. Wireless force sensor on a distal portion of a surgical instrument and method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0902644A1 (en) * 1995-06-07 1999-03-24 John Y. Morton Device and method for measuring force systems
US20060243464A1 (en) * 2005-04-29 2006-11-02 Sdgi Holdings, Inc. Torque and angular rotation measurement device and method
US10905502B2 (en) * 2005-12-30 2021-02-02 Intuitive Surgical Operations, Inc. Wireless force sensor on a distal portion of a surgical instrument and method
EP1986563B1 (en) * 2006-02-22 2012-12-26 Hansen Medical, Inc. System and apparatus for measuring distal forces on a working instrument
EP2595587B1 (en) * 2010-07-20 2017-11-08 The Johns Hopkins University Interferometric force sensor for surgical instruments

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11787025B2 (en) Electronic torque wrench
US20230135541A1 (en) Hip surgery systems and methods
US9505109B2 (en) Electronic torque wrench
EP1381302B1 (en) Imaging device
US11628017B1 (en) Surgical instrument with LED lighting and absolute orientation
US20230181221A1 (en) External adjustment device
JP2021530265A (en) Instrument Alignment Feedback System and Methods
EP2221022A1 (en) Screwing device for medical applications, particularly for endosseous implantology
RU2807937C1 (en) Multifunctional wireless device with replaceable surgical instruments for measuring their orientation angles in space and forces and moments affecting them during neurosurgical operations
EP1836955A1 (en) Probe assembly
US20180317979A1 (en) Pedicle Breach Detection Device
US20220409254A1 (en) Intraoperative monitoring and screw placement apparatus
US20220241942A1 (en) Electronic torque meter designed to measure and send reading data over a wireless interface and system including said torque meter
CN115317116A (en) Universal screwdriver with torque display function
JP6431067B2 (en) Tensioner device for bone healing, stabilization and / or fixation
RU2736162C2 (en) Multifunctional device with replaceable surgical instruments for measuring forces and moments acting on them during neurosurgical operations
US20060243464A1 (en) Torque and angular rotation measurement device and method
WO2023025008A1 (en) Information processing method and system for surgical instrument, surgical instrument and storage medium
KR20210016109A (en) Driver for Surgical Operation of Spine
Slack et al. Tremor amplitude determination for use in clinical applications
BR102020011931A2 (en) ELECTRONIC TORQUE WRENCH ABLE TO MEASURE AND SEND READING DATA VIA WIRELESS INTERFACE AND SYSTEM THAT COMPRISES SUCH TORQUE WRENCH
WO2020219925A1 (en) Surgical instrument with led lighting and absolute orientation
RU2068242C1 (en) Device for determination of tooth mobility
WO2023053006A1 (en) Universal adapter for handheld surgical systems
CN116096314A (en) Surgical fixation systems, methods, and devices