RU216501U1

RU216501U1 - CONTROLLER FOR VIRTUAL SIMULATION OF RETROGRADE INTRARENAL SURGERY

Info

Publication number: RU216501U1
Application number: RU2022133420U
Authority: RU
Inventors: Али Эльманович Талышинский; Николай Евгеньевич Староверов; Владимир Валерьевич Клонов; Иван Алексеевич Ларионов; Елена Гарриевна Гордиенко
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Артвижн"
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2023-02-09

Abstract

Полезная модель относится к обучающей технике, а в частности к контроллеру для обучения управления гибким уретероскопом в виртуальных тренажерах и симуляторах при отработке навыков ретроградной интраренальной хирургии. Техническим результатом патентуемой полезной модели является создание устройства для отработки мануальных навыков начинающих хирургов, а также для опытных хирургов при планировании операций с использованием уретероскопа, без необходимости использования анатомических моделей. Разработанный контроллер для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии содержит корпус, выполненный удлиненной формы с продольным углублением в центральной части с образованием выступов на обоих концах корпуса и включающий средство для подключения контроллера к компьютеру, на боковой поверхности одного из выступов установлен жесткий рычаг, включающий поворотную часть и внутреннюю часть, обращенную во внутреннюю область корпуса, на которой установлен неодимовый магнит, при этом внутренняя часть рычага и внутренняя поверхность корпуса содержат отверстия, к которым крепится с двух сторон пружина, внутри корпуса установлен модуль управления, включающий микроконтроллер, соединенный с акселерометром, выполненным с возможностью измерения угла поворота инструмента вокруг продольной оси, и магнитным энкодером. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

The utility model relates to teaching equipment, and in particular to a controller for teaching the control of a flexible ureteroscope in virtual trainers and simulators when developing the skills of retrograde intrarenal surgery. The technical result of the patented utility model is the creation of a device for practicing manual skills of novice surgeons, as well as for experienced surgeons when planning operations using a ureteroscope, without the need to use anatomical models. The developed controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery contains a body made of an elongated shape with a longitudinal recess in the central part with the formation of protrusions at both ends of the body and includes a means for connecting the controller to a computer, a rigid lever is installed on the side surface of one of the protrusions, including a rotary part and the inner part facing the inner area of the housing, on which a neodymium magnet is installed, while the inner part of the lever and the inner surface of the housing contain holes to which the spring is attached on both sides, a control module is installed inside the housing, including a microcontroller connected to an accelerometer made with the ability to measure the angle of rotation of the tool around the longitudinal axis, and a magnetic encoder. 3 w.p. f-ly, 8 ill.

Description

Полезная модель относится к обучающей технике, а в частности, к контроллеру для обучения управления гибким уретероскопом в виртуальных тренажерах и симуляторах при отработке навыков ретроградной интраренальной хирургии, например, для лечения мочекаменной болезни, с использованием ПК и установленного на него программного обеспечения, в котором используются виртуальные 3D-модели полостной системы почек с виртуальными 3D-моделями почечных камней.The utility model relates to teaching equipment, and in particular, to a controller for learning to control a flexible ureteroscope in virtual simulators and simulators when practicing retrograde intrarenal surgery skills, for example, for treating urolithiasis, using a PC and software installed on it, which uses virtual 3D models of the renal cavitary system with virtual 3D models of kidney stones.

В уровне техники известны системы для обучения или тренировки хирургических навыков, в которых используются настоящие инструменты, например, портативный симуляционный тренажер для развития мануальных навыков в лапароскопической хирургии, известный из патента RU 2768590 C1, опубликованного 24.03.2022, или тренажер для отработки эндоскопических навыков, в том числе, трансуретальной литотрипсии, описанный по ссылке http://medbuy.ru/medicinskij-trenazher-simulyator/simbionix-uroperc-mentor. In the prior art, systems are known for teaching or training surgical skills that use real tools, for example, a portable simulation simulator for developing manual skills in laparoscopic surgery, known from patent RU 2768590 C1, published on 03/24/2022, or a simulator for practicing endoscopic skills, including transurethral lithotripsy described at http://medbuy.ru/medicinskij-trenazher-simulyator/simbionix-uroperc-mentor.

Недостатки указанных систем заключаются в том, что они используют реальные инструменты и для подключения их к компьютерным виртуальным тренажерам требуется дополнительное дорогостоящее оборудование.The disadvantages of these systems are that they use real instruments and require additional expensive equipment to connect them to computer virtual simulators.

Техническая проблема, решаемая заявленным устройством, заключается в расширении арсенала обучающих технических средств для отработки навыков ретроградной интраренальной хирургии с использованием устройства, внешняя эргономика которого наиболее близко повторяет рукоять настоящего рабочего уретероскопа, позволяющего при этом подключать его напрямую к любому персональном компьютеру для работы с предустановленным на нем ПО, и содержащего модуль управления, включающий средство преобразования полученных данных от датчиков в угол поворота изображения, полученного от виртуального зонда.The technical problem solved by the claimed device is to expand the arsenal of training technical tools for practicing the skills of retrograde intrarenal surgery using a device whose external ergonomics most closely repeats the handle of a real working ureteroscope, while allowing you to connect it directly to any personal computer to work with a pre-installed on software, and containing a control module, including a means of converting the received data from the sensors into the angle of rotation of the image received from the virtual probe.

Техническим результатом патентуемой полезной модели является создание устройства для отработки мануальных навыков начинающих хирургов, а также для опытных хирургов при планировании операций с использованием уретероскопа, без необходимости использования анатомических моделей за счет возможности использования устройства с виртуальными моделями посредством модуля датчиков положения, регистрирующего величины изменения положения подвижных единиц устройства, и связанного с ним модуля управления, передающего данные от датчиков на ПК.The technical result of the patented utility model is the creation of a device for practicing the manual skills of novice surgeons, as well as for experienced surgeons when planning operations using a ureteroscope, without the need to use anatomical models due to the possibility of using the device with virtual models by means of a position sensor module that registers the magnitude of the change in the position of the movable units of the device, and an associated control module that transmits data from sensors to a PC.

Заявленный технический результат достигается за счет конструкции контроллера для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии, содержащего корпус, выполненный удлиненной формы с продольным углублением в центральной части с образованием выступов на обоих концах корпуса и включающий средство для подключения контроллера к компьютеру, на боковой поверхности одного из выступов установлен жесткий рычаг, включающий поворотную часть, которая в нерабочем положении расположена перпендикулярно продольной оси корпуса и повернута в сторону, противоположную выступу, и внутреннюю часть, обращенную во внутреннюю область корпуса, внутренняя часть рычага и внутренняя поверхность корпуса содержат отверстия, к которым крепится с двух сторон пружина, внутри корпуса установлен модуль управления, включающий микроконтроллер, соединенный с акселерометром, выполненным с возможностью измерения угла поворота инструмента вокруг продольной оси, и магнитным энкодером, напротив которого на внутренней части рычага установлен неодимовый магнит. The claimed technical result is achieved due to the design of the controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery, containing a body made of an elongated shape with a longitudinal recess in the central part with the formation of protrusions at both ends of the body and including a means for connecting the controller to a computer, on the side surface of one of the protrusions is installed a rigid lever that includes a rotary part, which in the non-working position is located perpendicular to the longitudinal axis of the body and turned in the direction opposite to the ledge, and the inner part facing the inner area of the body, the inner part of the lever and the inner surface of the body contain holes to which it is attached on both sides spring, a control module is installed inside the housing, including a microcontroller connected to an accelerometer configured to measure the angle of rotation of the tool around the longitudinal axis, and a magnetic encoder, opposite which on the inner part of the lever is equipped with a neodymium magnet.

В частном случае осуществления полезной модели средство для подключения контроллера к компьютеру представляет собой USB-порт.In a particular case of the implementation of the utility model, the means for connecting the controller to the computer is a USB port.

В частном случае осуществления полезной модели средство для подключения контроллера к компьютеру представляет собой кабель, который подключается к компьютеру.In a particular case of the implementation of the utility model, the means for connecting the controller to the computer is a cable that is connected to the computer.

В частном случае осуществления полезной модели поворотная часть рычага выполнена закругленной.In a particular case of the implementation of the utility model, the rotary part of the lever is made rounded.

Выполнение корпуса удлиненной формы с выступами на концах позволяет пользователю обхватить корпус таким образом, чтобы четыре пальца руки полностью размещались между выступами в углублении, а большой палец руки мог передвигаться вдоль боковой поверхности дистального выступа корпуса и манипулировать рычагом, который в нерабочем положении расположен в плоскости, поперечной продольной оси корпуса. В таком исполнении корпус контроллера по форме и габаритам максимально соответствует рукоятке уретероскопа, используемого при реальных операциях, например, уретероскоп производства BOSTON SCIENTIFIC SCIMED INC, описанный в патенте US 11399702 B2, дата публикации 02.08.2022. Однако реальный рабочий орган и связь с ним рычага в предлагаемом тренажере заменяет магнит, расположенный на внутренней части рычага, угол поворота которого определяет специализированный магнитный датчик-энкодер. А угол поворота самого корпус вокруг своей оси определяет датчик, представляющий собой акселерометр, установленный на модуле управления и связанный с микроконтроллером, передает последнему сигналы, преобразуемые во вращение изображения с виртуального зонда внутри 3D-модели полостной системы почки. Таким образом, возможность подключения предлагаемого устройства к любому ПК с предустановленным ПО для обучения навыкам гибкой ретроградной интраренальной хирургии камней почек, а также система механизма, имитирующего рабочий орган гибкого уретероскопа, корпус, имитирующий рукоятку гибкого уретероскопа, и связанного с ними блока датчиков и преобразователей сигналов, позволяет проводить обучение навыкам манипулирования гибким уретероскопом не только на шаблонных моделях, но и на виртуальных 3D-моделях органов, полученных в результате томографического обследования реальных пациентов, что обеспечивает возможность планирования операции. The execution of the body of an elongated shape with protrusions at the ends allows the user to grasp the body in such a way that four fingers of the hand are completely placed between the protrusions in the recess, and the thumb can move along the side surface of the distal protrusion of the body and manipulate the lever, which is located in the non-working position in the plane, transverse longitudinal axis of the body. In this design, the shape and dimensions of the controller body maximally correspond to the handle of the ureteroscope used in real operations, for example, the ureteroscope manufactured by BOSTON SCIENTIFIC SCIMED INC, described in US patent 11399702 B2, publication date 08/02/2022. However, the real working body and the connection of the lever with it in the proposed simulator is replaced by a magnet located on the inside of the lever, the rotation angle of which is determined by a specialized magnetic encoder sensor. And the angle of rotation of the body itself around its axis is determined by the sensor, which is an accelerometer installed on the control module and connected to the microcontroller, transmits to the latter signals converted into image rotation from a virtual probe inside a 3D model of the kidney cavity system. Thus, the possibility of connecting the proposed device to any PC with pre-installed software for teaching the skills of flexible retrograde intrarenal surgery of kidney stones, as well as a system of a mechanism that simulates the working body of a flexible ureteroscope, a housing that simulates the handle of a flexible ureteroscope, and an associated block of sensors and signal converters , allows you to train the skills of manipulating a flexible ureteroscope not only on template models, but also on virtual 3D models of organs obtained as a result of a tomographic examination of real patients, which makes it possible to plan an operation.

Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.Further, the solution is explained by reference to the figures, which show the following.

Фиг. 1 – общий вид контроллера для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии.Fig. 1 is a general view of the controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery.

Фиг. 2 – вид контроллера для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии сбоку.Fig. 2 is a side view of the controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery.

Фиг. 3 – вид контроллера для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии сверху.Fig. 3 is a view of the controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery from above.

Фиг. 4 – вид в разрезе В-В с фиг. 3.Fig. 4 is a B-B sectional view of FIG. 3.

Фиг. 5 – вид внутренней части контроллера для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии с отображением верхней части модуля управления.Fig. 5 is a view of the inside of the controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery, showing the top of the control module.

Фиг. 6 - вид внутренней части контроллера для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии с частичным отображением нижней части модуля управления.Fig. 6 is a view of the interior of the controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery, with a partial view of the lower part of the control module.

Фиг. 7 – структурная схема контроллера для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии.Fig. 7 is a block diagram of a controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery.

Фиг. 8 – изображение схемы манипулирования контроллером для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии.Fig. 8 is an image of a controller manipulation scheme for a virtual simulation of retrograde intrarenal surgery.

Контроллер для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии содержит корпус 1, выполненный удлиненной формы с продольным углублением 2 в центральной части с образованием выступов 3 и 4 на дистальном и проксимальном концах корпуса, соответственно.The controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery contains a body 1 made of an elongated shape with a longitudinal recess 2 in the central part with the formation of protrusions 3 and 4 at the distal and proximal ends of the body, respectively.

На проксимальном выступе 4 установлено средство для подключения контроллера к компьютеру. На фиг. 1 показан разъем USB-порта 5, но в других случаях исполнения может быть установлен кабель для подключения контроллера к ПК.On the proximal ledge 4 there is a means for connecting the controller to a computer. In FIG. Figure 1 shows the USB port 5 connector, but in other versions a cable can be installed to connect the controller to a PC.

На боковой поверхности выступа 3 на дистальном конце корпуса установлен жесткий рычаг 6, включающий поворотную часть 7, которая в нерабочем положении расположена перпендикулярно продольной оси корпуса и повернута в сторону, противоположную выступу 3, и внутреннюю часть 8, обращенную во внутреннюю область корпуса 1. Для удобства осуществления манипулирования рычагом указанная поворотная часть может быть выполнена закругленной. Поворотная часть 7 выполнена с возможностью перемещения в дистальном и в проксимальном направлении, приводя во вращательное движение основание рычага 6. On the side surface of the protrusion 3 at the distal end of the housing, a rigid lever 6 is installed, including a rotary part 7, which in the non-working position is located perpendicular to the longitudinal axis of the housing and turned in the direction opposite to the protrusion 3, and the inner part 8 facing the inner region of the housing 1. For the convenience of manipulating the lever, the specified rotary part can be made rounded. The rotary part 7 is movable in the distal and proximal directions, driving the base of the lever 6 in rotation.

Внутренняя часть 8 рычага 6 содержит отверстие в виде кольца 9, внутренняя поверхность корпуса 1 содержат отверстие в виде кольца 10. К кольцам 9 и 10 крепится с двух сторон пружина 11, которая служит для возвращения рычага в исходное положение после окончания приложения усилий к его поворотной части.The inner part 8 of the lever 6 contains a hole in the form of a ring 9, the inner surface of the body 1 contains a hole in the form of a ring 10. A spring 11 is attached to the rings 9 and 10 on both sides, which serves to return the lever to its original position after the application of efforts to its rotary parts.

В корпусе установлен модуль управления, представляющий собой печатную плату с напаянными на нее электронными компонентами и разъемами и включающий микроконтроллер 16, электрически соединенный с акселерометром 17, выполненным с возможностью измерения угла поворота инструмента вокруг продольной оси, и с магнитным энкодером 18, напротив которого на внутренней части рычага установлен неодимовый магнит 19 (их взаимное расположение показано на фиг. 6), который изменяет свое положение при приведении внутренней части основания рычага во вращательное движение при перемещении поворотной части 7 в дистальном или проксимальном направлении. Магнитный энкодер измеряет распределение магнитного поля на собственной поверхности, регистрируя таким образом прохождение магнитных полюсов магнита на вращающейся внутренней части 8 основания рычага 6, и на основе этих данных вычисляет угол поворота магнита. Полученные от датчика данные об угле поворота рычага передаются в микроконтроллер, который преобразует их в величину угла, на который необходимо отклонить виртуальный зонд в графическом интерфейсе ПО и отправляются по USB на ПК, при этом отклонение сдвигаемого рычага вверх (перемещение поворотной части 7 в дистальном направлении) до 90° соответствует отклонению изображения с виртуального зонда внутри 3D-модели полостной системы почки в графическом интерфейсе ПО на ПК вниз до -270°, а отклонение сдвигаемого рычага вниз до (перемещение поворотной части 7 в проксимальном направлении) -90° соответствует отклонению изображения вверх до 270°. A control module is installed in the housing, which is a printed circuit board with electronic components and connectors soldered onto it and includes a microcontroller 16, electrically connected to an accelerometer 17, configured to measure the angle of rotation of the tool around the longitudinal axis, and with a magnetic encoder 18, opposite which on the inner part of the lever, a neodymium magnet 19 is installed (their relative position is shown in Fig. 6), which changes its position when the inner part of the base of the lever is brought into rotational motion when the rotary part 7 is moved in the distal or proximal direction. The magnetic encoder measures the distribution of the magnetic field on its own surface, thus registering the passage of the magnetic poles of the magnet on the rotating inner part 8 of the base of the arm 6, and on the basis of these data calculates the angle of rotation of the magnet. The data on the angle of rotation of the lever received from the sensor are transmitted to the microcontroller, which converts them into the angle by which it is necessary to deflect the virtual probe in the graphical interface of the software and sent via USB to the PC, while the deflection of the shifted lever upwards (moving the rotary part 7 in the distal direction ) up to 90° corresponds to the deviation of the image from the virtual probe inside the 3D model of the cavitary system of the kidney in the graphical interface of the PC software down to -270°, and the deviation of the shifted lever down to (moving the rotary part 7 in the proximal direction) -90° corresponds to the deviation of the image up to 270°.

Угол поворота самого корпуса вокруг своей продольной оси определяет датчик, представляющий собой акселерометр, установленный на модуле управления (на печатной плате) и связанный с микроконтроллером, передает последнему сигналы, преобразуемые во вращение изображения с виртуального зонда внутри 3D-модели полостной системы почки, заранее загруженной в графическую оболочку ПО - вращение рукоятки влево до -180° соответствует вращению изображения влево до -180°, а вращение рукоятки вправо до 180° соответствует вращению изображения вправо до 180°.The angle of rotation of the body itself around its longitudinal axis determines the sensor, which is an accelerometer installed on the control module (on a printed circuit board) and connected to the microcontroller, transmits to the latter signals converted into image rotation from a virtual probe inside a 3D model of the kidney cavity system, preloaded to the graphical shell of the software - turning the knob to the left up to -180° corresponds to rotating the image to the left up to -180°, and turning the knob to the right up to 180° corresponds to rotating the image to the right up to 180°.

Далее осуществление полезной модели показано на конкретном примере.Further, the implementation of the utility model is shown in a specific example.

Устройство подключают к персональному компьютеру кабелем USB type B, напряжение питания: 5 В, максимальный ток потребления: 250 мА. Измеряемый диапазон поворота манипулятора вокруг оси: -180 …180°, что соответствует повороту зонда в виртуальной среде диапазону -180 …180° (точность измерения поворота манипулятора: ±0,3°). Измеряемый диапазон отклонения рычага манипулятора: 90 …-90°, что соответствует отклонению зонда в виртуальной среде диапазону -270 … 270° (точность измерения отклонения ручки манипулятора: ±0,3°). Тип измерителя отклонения ручки манипулятора: магнитный. The device is connected to a personal computer with a USB type B cable, supply voltage: 5 V, maximum current consumption: 250 mA. The measured range of rotation of the manipulator around the axis: -180 ... 180°, which corresponds to the rotation of the probe in the virtual environment in the range -180 ... 180° (measurement accuracy of the rotation of the manipulator: ±0.3°). Measuring range of manipulator arm deflection: 90…-90°, which corresponds to probe deflection in the virtual environment in the range of -270…270° (manipulator arm deflection measurement accuracy: ±0.3°). Type of manipulator handle deflection meter: magnetic.

Пользователь охватывает корпус таким образом, чтобы ладонь ложилась в углубление 2, четыре пальца правой руки охватывали корпус с боковой и верхней поверхности. Большим пальцем пользователь может свободно отклонять рычаг 6, цепляясь кончиком большого пальца за поворотную часть 7. После того как пользователь больше не воздействует на рычаг, пружина 11 возвращает рычаг в исходное положение, показанное на фиг. 1. На фиг. 8 стрелками показаны основные направления манипулирования контроллером рукой пользователя. Стрелка 12 показывает отклонение сдвигаемого рычага вверх до 90°, что соответствует отклонению изображения, получаемого виртуальным зондом вниз до -270°; стрелка 13 - отклонение сдвигаемого рычага вниз до -90°, что соответствует отклонению изображения вверх до 270°; стрелка 14 - вращение рукоятки влево до -180°, что соответствует вращению изображения влево до -180°; стрелка 15 - вращение рукоятки вправо до 180°, что соответствует вращению изображения вправо до 180°.The user covers the body so that the palm lies in recess 2, four fingers of the right hand cover the body from the side and top surface. With the thumb of the user, the lever 6 can be freely deflected by catching the tip of the thumb on the rotary part 7. After the user no longer acts on the lever, the spring 11 returns the lever to its original position, shown in FIG. 1. In FIG. 8 arrows show the main directions of manipulation of the controller by the user's hand. Arrow 12 shows the deflection of the shifted lever up to 90°, which corresponds to the deviation of the image obtained by the virtual probe down to -270°; arrow 13 - deviation of the shifted lever down to -90°, which corresponds to the deviation of the image up to 270°; arrow 14 - rotation of the handle to the left up to -180°, which corresponds to the rotation of the image to the left up to -180°; arrow 15 - rotation of the handle to the right up to 180°, which corresponds to the rotation of the image to the right up to 180°.

Claims

1. A controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery, containing a body made of an elongated shape with a longitudinal recess in the central part with the formation of protrusions at both ends of the body and including a means for connecting the controller to a computer, a rigid lever is installed on the side surface of one of the protrusions, including a rotary the part, which in the non-working position is located perpendicular to the longitudinal axis of the housing and turned in the direction opposite to the protrusion, and the inner part facing the inner region of the housing, on which a neodymium magnet is installed, while the inner part of the lever and the inner surface of the housing contain holes to which it is attached there is a spring on both sides, a control module is installed inside the housing, including a microcontroller connected to an accelerometer configured to measure the angle of rotation of the tool around the longitudinal axis, and a magnetic encoder.

2. The controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery according to claim 1, characterized in that the means for connecting the controller to a computer is a USB port.

3. The controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery according to claim 1, characterized in that the means for connecting the controller to the computer is a cable that connects to the computer.

4. The controller for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery according to claim 1, characterized in that the rotary part of the lever is rounded.