RU181001U1

RU181001U1 - Device for simulating cavitary surgical interventions with tactile feedback

Info

Publication number: RU181001U1
Application number: RU2017139987U
Authority: RU
Inventors: Глеб Олегович Мареев; Олег Вадимович Мареев; Иннокентий Константинович Алайцев
Original assignee: Глеб Олегович Мареев
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2018-07-03

Abstract

Полезная модель относится к устройствам программного управления и может быть использована в качестве управляющего элемента (манипулятора) в современных обучающих хирургических системах для симуляции полостных оперативных вмешательств, при этом ввод координат рабочего конца инструмента в систему сопровождается одновременным выводом на устройство ввода данных силы, имитирующей тактильную обратную связь и применяется для усиления реалистичности эффекта при обучении.Нами впервые предлагается устройство ввода с тактильной обратной связью, которое состоит из карданного механизма с возможностью регистрации его положения в пространстве датчиками, жестко закрепляемого через рычаг к площадке оригинального гаптик-устройства, реализующего трехкоординатный пространственный ввод с возможностями тактильной обратной связи, при этом рабочий конец имитатора лапароскопического инструмента жестко фиксируется в центре вращения карданного механизма, а с другой стороны его шток проходит через троакар, установленный в отверстии, выполненном в эластичном имитаторе передней брюшной стенки, под которым закреплено гаптик-устройство.Благодаря применению описанного устройства, обладающего дополнительными степенями свободы ввода за счет возможности считывания ориентации карданного в пространстве датчиками, значительно расширяются возможности создания хирургических симуляторов полостных оперативных вмешательств с использованием гаптик-устройств на основе дельта-механизмов, создающих реалистичную обратную связь и имитирующее основные условия проведения полостных операций.The utility model relates to software control devices and can be used as a control element (manipulator) in modern educational surgical systems for simulating abdominal surgery, while entering the coordinates of the working end of the instrument into the system is accompanied by a simultaneous output to the data input device of a simulating tactile feedback communication and is used to enhance the realism of the effect when learning. We are the first to offer a tactile feedback input device an ide, which consists of a cardan mechanism with the possibility of registering its position in space by sensors, rigidly fixed through a lever to the platform of the original haptic device that implements a three-dimensional spatial input with tactile feedback capabilities, while the working end of the laparoscopic instrument simulator is rigidly fixed in the center of rotation of the cardan mechanism, and on the other hand, its rod passes through a trocar installed in an opening made in an elastic simulator of the front trousers Thanks to the use of the described device, which has additional degrees of freedom of entry due to the ability to read the orientation of the universal joint in space by sensors, the possibilities for creating surgical simulators of abdominal surgical interventions using haptic devices based on delta mechanisms are significantly expanded. creating realistic feedback and simulating the basic conditions for abdominal operations.

Description

Полезная модель относится к устройствам программного управления и может быть использована в качестве управляющего элемента (манипулятора) в современных обучающих хирургических системах для симуляции полостных оперативных вмешательств, при этом ввод координат рабочего конца инструмента в систему сопровождается одновременным выводом на устройство ввода данных силы, имитирующей тактильную обратную связь и применяется для усиления реалистичности эффекта при обучении.The utility model relates to software control devices and can be used as a control element (manipulator) in modern educational surgical systems for simulating abdominal surgery, while entering the coordinates of the working end of the instrument into the system is accompanied by a simultaneous output to the data input device of a simulating tactile feedback communication and is used to enhance the realism of the effect when learning.

Симуляционное обучение широко применятся в настоящий момент в медицине. Созданы различного рода программные и аппаратные средства, позволяющие с достаточно большой степень реализм производить в виртуальном пространстве различные хирургические манипуляции с объектами, имитирующими внутренние органы человека. Однако, большинство этих систем в качестве устройства управления используют обычный джойстик или мышь; в ряде случаев используются специальные приспособления (эйдос), имитирующие рукоятки инструментов, смену инструментов, различного рода приборы из окружения хирурга (аспиратор, коагулятор и т.п.). Однако, подавляющее большинство этих систем не способно создавать при работе с ними тактильные ощущения, так необходимые для выработки и закрепления хирургических навыков.Simulation training is widely used at the moment in medicine. Various kinds of software and hardware have been created that allow, with a fairly high degree of realism, to perform various surgical manipulations in the virtual space with objects imitating the internal organs of a person. However, most of these systems use a conventional joystick or mouse as a control device; in some cases, special devices (eidos) are used that simulate the handles of tools, changing tools, various kinds of instruments from the surgeon's environment (aspirator, coagulator, etc.). However, the vast majority of these systems are not able to create tactile sensations when working with them, so necessary for the development and consolidation of surgical skills.

Существуют системы управления с тактильной обратной связью, так называемые гаптик-устройства, которые позволяют вводить координатную информацию в компьютер, и, таким образом, являются координатными манипуляторами, однако при этом могут являться и устройствами вывода, прилагая к руке оператора усилие, направленное в ту или иную сторону. Эти устройства используются для создания тактильного образа какого-либо виртуального предмета и встречаются в компьютерных играх, различных системах виртуальной реальности, трехмерной компьютерной графики (лепки и моделирования), медицинских системах, а также для управления различными робототехническими устройствами [T.R. Coles, D. Meglan, N.W. John. The role of haptics in medical training simulators: a survey of the state of the art. // Haptics, IEEE Transactions, 4(1):51-66, 2011]. Для создания таких устройств нередко используются кинематические схемы параллельных механизмов, например, дельта-механизмы [S. Martin, N. Hillier Characterisation of the novint falcon haptic device for application as a robot manipulator // In Australasian Conference on Robotics and Automation (ACRA), 2009, pp 291-292], ввиду того что они устойчивы и стабильны в пространстве, а также позволяют прилагать большую силу и создавать более реалистичные тактильные ощущения.There are control systems with tactile feedback, the so-called haptic devices, which allow you to enter coordinate information into a computer, and thus are coordinate manipulators, but they can also be output devices, applying an effort to the operator’s hand directed to the other side. These devices are used to create a tactile image of a virtual object and are found in computer games, various virtual reality systems, three-dimensional computer graphics (modeling and modeling), medical systems, as well as for controlling various robotic devices [T.R. Coles, D. Meglan, N.W. John The role of haptics in medical training simulators: a survey of the state of the art. // Haptics, IEEE Transactions, 4 (1): 51-66, 2011]. To create such devices, kinematic schemes of parallel mechanisms are often used, for example, delta mechanisms [S. Martin, N. Hillier Characterization of the novint falcon haptic device for application as a robot manipulator // In Australasian Conference on Robotics and Automation (ACRA), 2009, pp 291-292], because they are stable and stable in space, and also allow you to exert more power and create more realistic tactile sensations.

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является Novint Falcon (далее гаптик-устройство), представляющий из себя дельта-механизм.The closest analogue of the proposed utility model is Novint Falcon (hereinafter the haptic device), which is a delta mechanism.

Подобное гаптик-устройство имеет ограниченное число степеней свободы (три степени свободы, 3 DOF - degrees of freedom). Для создания на его основе симулятора для полостных оперативных вмешательств необходимо большее число степеней свободы - требуется знание об ориентации и наклоне инструмента в пространстве, кроме данных о положении его рабочего конца, предоставляемых оригинальным гаптик-устройством. Кроме этого, гаптик управляет лишь одной активной точкой (точка приложения силы), расположенной на площадке дельта-механизма. Для имитации полостных операций необходимо положение лапароскопического инструмента, заданное в пространстве двумя точками - точкой входа (местом установки троакара на брюшной стенке) и точкой, определяющей рабочий конец инструмента.Such a haptic device has a limited number of degrees of freedom (three degrees of freedom, 3 DOF - degrees of freedom). To create a simulator for abdominal surgery on its basis, a greater number of degrees of freedom is required - knowledge of the orientation and inclination of the tool in space is required, except for data on the position of its working end provided by the original haptic device. In addition, the haptic controls only one active point (the point of application of force) located on the site of the delta mechanism. To simulate abdominal operations, the position of the laparoscopic instrument is required, defined in space by two points - the entry point (the location of the trocar on the abdominal wall) and the point that defines the working end of the instrument.

Нами впервые предлагается устройство ввода с тактильной обратной связью, которое состоит из карданного механизма с возможностью регистрации его положения в пространстве датчиками, жестко закрепляемого через рычаг к площадке оригинального гаптик-устройства, реализующего трехкоординатный пространственный ввод с возможностями тактильной обратной связи, при этом рабочий конец имитатора лапароскопического инструмента жестко фиксируется в центре вращения карданного механизма, а с другой стороны его шток проходит через троакар, установленный в отверстии, выполненном в эластичном имитаторе передней брюшной стенки, под которым закреплено гаптик-устройство.We are the first to propose an input device with tactile feedback, which consists of a cardan mechanism with the possibility of recording its position in space by sensors, rigidly fixed through a lever to the site of the original haptic device that implements a three-coordinate spatial input with tactile feedback capabilities, while the working end of the simulator a laparoscopic instrument is rigidly fixed in the center of rotation of the gimbal mechanism, and on the other hand, its rod passes through the trocar, setting enny a hole formed in the elastic simulator anterior abdominal wall, which is fixed under the haptic device.

Общий вид полезной модели хирургического симулятора с тактильной обратной связью представлен на Фиг 1, более подробно полезная модель изображена на Фиг. 2, где:A general view of a utility model of a surgical simulator with tactile feedback is shown in FIG. 1, a more useful model is shown in FIG. 2, where:

1 - гаптик-устройство на основе дельта-механизма1 - a haptic device based on a delta mechanism

2 - площадка дельта-механизма2 - platform delta mechanism

3 - карданный механизм3 - cardan mechanism

4 - центр вращения карданного механизма4 - the center of rotation of the cardan mechanism

5 - имитатор лапароскопического инструмента5 - simulator of a laparoscopic instrument

6 - троакар6 - trocar

7 - имитация передней брюшной стенки7 - imitation of the anterior abdominal wall

8 - рама (корпус) устройства8 - frame (case) of the device

9 - рукоятка имитатора лапароскопического инструмента9 - handle simulator laparoscopic instrument

Карданный механизм 3 жестко закрепляется на площадке 2 дельта механизма оригинального гаптик-устройства 1. В центр вращения 4 карданного механизма 3 закреплен рабочий конец имитатора лапароскопического инструмента 5. Данное устройство позволяет при движениях, осуществляемых оператором за рукоятку, не стеснять движений оператора в пределах заданного числа степеней свободы карданного механизма 3, при этом данные о положении в пространстве рабочего конца инструмента 5 будут сниматься с датчиков, расположенных в карданном механизме 3 (которые могут иметь различный принцип действия - датчики угла поворота, электронные акселерометры и гироскопы и др.)- Это обеспечивает высокую точность данных о положении рабочего конца инструмента 5 в пространстве, включая ее наклоны и повороты вокруг своей оси. Таким образом, основные координаты положения в пространстве будут считаны с оригинального устройства дельта-механизма, и дополнены данными о положении рабочего конца инструмента 5 в пространстве с датчиков карданного механизма 3. Сила, создаваемая дельта-механизмом гаптик-устройства будет приложена к площадке 2, однако учитывая жесткую связь с ней карданного механизма и укрепленной в центре вращения 4 карданного механизма 3 рабочего конца инструмента 5 эта сила будет передана на руку оператора, обеспечивая тактильную обратную связь. Гаптик-устройство 1 установлено внутри рамы 8, по размерам сходной с брюшной полостью человека, верхнюю крышку которой представляет из себя имитатор передней брюшной стенки 7, выполненный из эластичного материала (силикона, резины и др.). В стандартном месте проведения лапароскопической процедуры в имитаторе передней брюшной стенки 7 установлен пенетрирующий ее троакар 6, через который проходит имитатор лапароскопического инструмента 5. Имитатор лапароскопического инструмента 5 проходит внутри троакара 6 таким образом, что возможны свободные движения его внутри трубки троакара 6 - линейные перемещения по оси троакара 6 и вращение в нем.The cardan mechanism 3 is rigidly fixed on the platform 2 delta mechanism of the original haptic device 1. In the center of rotation 4 of the cardan mechanism 3 is fixed the working end of the simulator of the laparoscopic instrument 5. This device allows for movements carried out by the operator by the handle, not to hamper the movements of the operator within a given number degrees of freedom of the cardan mechanism 3, while data on the position in the space of the working end of the tool 5 will be removed from sensors located in the cardan mechanism 3 (which e can have a different principle of operation - angle sensors, electronic accelerometers and gyroscopes, etc.) - This provides high accuracy data on the position of the working end of the tool 5 in space, including its tilts and rotations around its axis. Thus, the main coordinates of the position in space will be read from the original device of the delta mechanism, and supplemented with data on the position of the working end of the tool 5 in space from the sensors of the cardan mechanism 3. The force created by the delta mechanism of the haptic device will be applied to platform 2, however Considering the rigid connection of the cardan mechanism with it and the cardan mechanism 3 of the working end of the tool 5 fixed in the center of rotation 4, this force will be transmitted to the operator’s hand, providing tactile feedback. The haptic device 1 is installed inside the frame 8, similar in size to the human abdominal cavity, the top cover of which is a simulator of the anterior abdominal wall 7, made of an elastic material (silicone, rubber, etc.). A penetrating trocar 6 is installed in a standard place for a laparoscopic procedure in the simulator of the anterior abdominal wall 7, through which a simulator of a laparoscopic instrument 5 passes. A simulator of a laparoscopic instrument 5 passes inside the trocar 6 in such a way that it can move freely inside the trocar 6 tube — linear movements along axis of the trocar 6 and rotation in it.

Таким образом, обучающийся, управляя с помощью рукоятки 9 имитатором лапароскопического инструмента 5 одновременного указывает координаты, где находится рабочий конец инструмента в виртуальном пространстве симулятора, а также получает тактильные ощущения от гаптик-устройства. Установленный в имитатор передней брюшной стенки 7 троакар 6 создает точку входа и точку вращения лапароскопического инструмента, что создает реалистичность проводимой симуляции оперативного вмешательстваThus, the student, using the handle 9 to control the simulator of the laparoscopic instrument 5, simultaneously indicates the coordinates of the working end of the instrument in the virtual space of the simulator, and also receives tactile sensations from the haptic device. A trocar 6 installed in the simulator of the anterior abdominal wall 7 creates an entry point and a pivot point of the laparoscopic instrument, which creates a realistic simulation of surgical intervention

Благодаря применению описанного устройства, обладающего дополнительными степенями свободы ввода за счет возможности считывания ориентации карданного механизма в пространстве датчиками, значительно расширяются возможности создания хирургических симуляторов полостных оперативных вмешательств с использованием гаптик-устройств на основе дельта-механизмов, создающих реалистичную обратную связь и имитирующее основные условия проведения полостных операций.Thanks to the use of the described device, which has additional degrees of freedom of input due to the ability to read the orientation of the cardan mechanism in space by sensors, the possibilities for creating surgical simulators of abdominal surgical interventions using haptic devices based on delta mechanisms that create realistic feedback and simulate the basic conditions abdominal operations.

Claims

A device for simulating cavitary surgical interventions with tactile feedback, consisting of a delta mechanism that implements a three-dimensional spatial input with tactile feedback capabilities, characterized in that the cardan mechanism is rigidly fixed on its moving platform with the possibility of recording its position in space by sensors, while at the pivot point of the cardan mechanism, a simulator of a laparoscopic instrument is fixed, which then passes through a trocar mounted in an elastic imitation the front abdominal wall, which is fixed to the frame, inside which a delta mechanism is installed.