RU2491161C1

RU2491161C1 - Robotic system for minimally invasive surgery

Info

Publication number: RU2491161C1
Application number: RU2012100087/02A
Authority: RU
Inventors: Олег Владимирович Галимов; Тимур Анварович Сирусин; Антон Владимирович Шкундин
Original assignee: Олег Владимирович Галимов; Тимур Анварович Сирусин; Антон Владимирович Шкундин
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-08-27
Also published as: RU2012100087A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medicine, and is applicable for the purpose of endosurgical procedures. A robotic system comprises a remote control and 3-5 manipulators with an instrument platform comprising a driven instrument assembly. Each manipulator comprises a support, four step motors each of which having a lever on its shaft; the support finishes from both sides with upper hinged handpieces attached to rods with their other ends coupled with lower hinged handpieces. The lower hinged handpieces are attached to a tray whereon a bronze weight is vertically pressed; the weight is rotatable about an X axis of a jaw with end holes to thread joint-pins of the instrument platform to enable it moving along the Y axis. The instrument platform is supplied with two step motors with their shafts having cog-wheels fixed to enable the engage of wheel holes in the instrument assembly and mechanical transmission of the step motor rotation to the rotation of instrument branches or shank about the axis. One step motor enables controlling the instrument branches or shank, while another one controls the instrument turn-round. By means of the holes formed in the supports the manipulators are rigidly fixed on a carrying frame winged to the operating theatre ceiling.

EFFECT: using the invention provides higher ergonomics of the robotic system, its mobility, reliability and safety.

4 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к хирургии, и предназначено для применения во время проведения эндохирургических вмешательств.The invention relates to medicine, in particular to surgery, and is intended for use during endosurgical interventions.

В настоящее время уходят в прошлое оперативные вмешательства открытого типа, при которых часто наблюдаются послеоперационные осложнения и возникает наибольшее травмирование пациента, приводящее в конечном итоге к снижению трудоспособности.At present, open-type surgical interventions are becoming a thing of the past, in which postoperative complications are often observed and the greatest injury to the patient occurs, which ultimately leads to a decrease in working capacity.

На смену операциям открытого доступа происходит все более широкое внедрение эндовидеохирургических операций, которые обладают малой травматичностью и приводят пациентов к быстрому восстановлению после оперативного лечения.Instead of open access operations, there is an ever-widening introduction of endovideo surgical operations that are less traumatic and lead patients to quick recovery after surgical treatment.

Однако по мере широкого внедрения эндовидеохирургических технологий вскрылись технические проблемы и ограничения, связанные с их проведением. Современные эндоскопические инструменты не дают должного эффекта обратной связи с хирургом, особенно по части тактильной чувствительности и силы воздействия на ткани, и хорошим координационным взаимодействием (рука-глаз). У большинства эндоскопических манипуляторов имеется ограниченная в четырех плоскостях свобода действий, что ухудшает качество оперирования.However, with the widespread adoption of endovideo surgical technologies, technical problems and limitations associated with their implementation have been revealed. Modern endoscopic instruments do not give the proper feedback effect with the surgeon, especially in terms of tactile sensitivity and force of impact on tissues, and good coordination interaction (hand-eye). Most endoscopic manipulators have limited freedom of action in four planes, which affects the quality of the operation.

Физиологическое дрожание человеческой руки передается на инструменты, создавая трудности во время наложения анастомозов и прецизионной мобилизации. Внедрение робототехники позволяет преодолеть имеющиеся сложности и ограничения, решить вышеуказанные проблемы для расширения возможностей малотравматичной хирургии (Федоров А.В., Кригер А.Г. Роботохирургия // Хирургия. - 2008. - №12. - С.68-73).The physiological trembling of the human hand is transmitted to the instruments, creating difficulties during the application of anastomoses and precision mobilization. The introduction of robotics allows you to overcome the difficulties and limitations, solve the above problems to expand the capabilities of low-traumatic surgery (Fedorov A.V., Krieger A.G. Robotic surgery // Surgery. - 2008. - No. 12. - P.68-73).

На сегодняшний день в мире известны такие роботические хирургические системы как «Da Vinci», «Zeus», «AEZOP».Such robotic surgical systems as Da Vinci, Zeus, AEZOP are known in the world today.

Известна медицинская роботизированная система для манипулирования медицинским инструментом, содержащая робот-манипулятор, который содержит основание, руку манипулятора, имеющую по существу вертикальную и горизонтальную части, запястный шарнир манипулятора и исполнительный блок для медицинского инструмента. Рука манипулятора имеет цилиндрическую (PRP) кинематическую конфигурацию для координатного перемещения запястного шарнира манипулятора. PRP конфигурация имеет призматическое (Р) первое сочленение (J1) для изменения высоты вертикальной части за счет поступательной степени свободы вдоль вертикальной оси, вращательное (R) второе сочленение (J2) для изменения угла поворота между вертикальной частью и горизонтальной частью за счет вращательной степени свободы вокруг по вертикальной оси и призматическое (Р) третье сочленение (J3) для изменения досягаемости горизонтальной части за счет поступательной степени свободы вдоль по горизонтальной оси [патент RU 2412799, 2011 г.].A medical robotic system for manipulating a medical instrument is known, comprising a robot manipulator that comprises a base, a manipulator arm having substantially vertical and horizontal parts, a wrist joint of the manipulator and an actuator unit for a medical instrument. The arm of the manipulator has a cylindrical (PRP) kinematic configuration for the coordinate movement of the wrist joint of the manipulator. The PRP configuration has a prismatic (P) first joint (J1) for changing the height of the vertical part due to the translational degree of freedom along the vertical axis, a rotational (R) second joint (J2) for changing the angle of rotation between the vertical part and the horizontal part due to the rotational degree of freedom around the vertical axis and the prismatic (P) third joint (J3) to change the reach of the horizontal part due to the translational degree of freedom along the horizontal axis [patent RU 2412799, 2011].

Прототипом предлагаемой полезной модели является роботизированная хирургическая система для выполнения минимальных инвазивных вмешательств, содержащая панель управления и роботы-манипуляторы для манипулирования лапароскопическим инструментом. Робот-манипулятор имеет руку, поддерживаемый ею запястный шарнир и поддерживаемый им исполнительный блок. Рука обеспечивает три степени свободы посредством первого (J1), второго (J2) и третьего (J3) сочленений. Каждое из сочленений имеет привод для перемещения запястного шарнира. Запястный шарнир обеспечивает две степени свободы посредством четвертого (J4) и пятого (J5) сочленений. Сочленения (J4) и (J5) являются вращательными и имеют привод для настройки углов наклона исполнительного блока в поперечном и в продольном направлениях. Исполнительный блок содержит привод лапароскопического инструмента (ПЛИ) и обеспечивает одну степень свободы посредством вращательного шестого сочленения (J6), имеющего привод для настройки угла поворота ПЛИ. ПЛИ содержит гнездо с механизмом сцепления для прикрепления переходника хвостовика инструмента к исполнительному блоку и приводной механизм для приведения в действие соединенного с переходником лапароскопического инструмента. Исполнительный блок содержит датчик силомоментного очувствления с шестью степенями свободы и акселерометр с шестью степенями свободы [патент RU 2412800, 2011 г.].The prototype of the proposed utility model is a robotic surgical system for performing minimal invasive procedures, containing a control panel and robotic manipulators for manipulating a laparoscopic instrument. The robotic arm has a hand, the carpal joint supported by it, and the executive unit supported by it. The hand provides three degrees of freedom through the first (J1), second (J2) and third (J3) joints. Each of the joints has a drive to move the wrist joint. The wrist joint provides two degrees of freedom through the fourth (J4) and fifth (J5) joints. Joints (J4) and (J5) are rotational and have a drive for adjusting the inclination angles of the actuator block in the transverse and longitudinal directions. The executive unit contains the drive of the laparoscopic instrument (PLI) and provides one degree of freedom through the sixth rotary joint (J6), which has a drive for adjusting the angle of rotation of the PLI. PLI contains a socket with a clutch mechanism for attaching the adapter of the tool shank to the actuator unit and a drive mechanism for actuating the laparoscopic instrument connected to the adapter. The executive unit contains a force moment sensing sensor with six degrees of freedom and an accelerometer with six degrees of freedom [patent RU 2412800, 2011].

Однако все эти роботические системы обладают рядом недостатков, основными из которых являются очень высокая стоимость как самой роботической системы, так и комплектующих к ней. Так же эти системы занимают значительное рабочее пространство в операционной, что приводит к неудобству нахождения в ней хирургов и медицинских сестер. Из-за сложной процедуры замены инструментов во время проведения хирургического вмешательства затрачивается значительное количество времени, которое в крайних случаях может стоить жизни оперируемым пациентам. Слабая маневренность и большие размеры манипуляторов, которые могут приводить к их столкновению во время операции, что может причинить серьезный риск для здоровья пациентов и врачей. Так же к недостаткам известных роботических систем можно отнести: относительно длительное время подготовки роботической системы; определенные трудности при выполнении операций на нескольких этажах брюшной полости, что обусловлено относительно медленными передвижениями камеры и манипуляторов при смене зоны оперирования; необходимость траты части времени на адаптацию системы к пациенту; сложность в обучении хирургов для работы с данной хирургической системой.However, all these robotic systems have a number of drawbacks, the main of which are the very high cost of both the robotic system itself and its components. Also, these systems occupy a significant working space in the operating room, which leads to the inconvenience of surgeons and nurses in it. Due to the complex procedure of replacing instruments during surgery, a significant amount of time is spent, which in extreme cases can cost the life of the operated patients. Weak maneuverability and the large size of the manipulators, which can lead to their collision during surgery, which can cause serious risks to the health of patients and doctors. Also, the disadvantages of the known robot systems include: the relatively long preparation time of the robot system; certain difficulties in performing operations on several floors of the abdominal cavity, which is due to the relatively slow movements of the camera and manipulators when changing the operating area; the need to spend part of the time to adapt the system to the patient; difficulty in training surgeons to work with this surgical system.

Одним из недостатков известных роботических систем является наличие жестко зафиксированной мертвой точки, то есть той точки, где не происходит движения инструмента. В известных роботических системах она реализована механически и требует обязательного расположения этой точки в месте операционного прокола.One of the disadvantages of the known robot systems is the presence of a rigidly fixed dead center, that is, the point where the tool does not move. In well-known robotic systems, it is implemented mechanically and requires the obligatory location of this point in the place of the surgical puncture.

Все это послужило серьезным основанием для разработки новой роботической системы для проведения эндовидеохирургических вмешательств, которая смогла бы избежать наличия представленных недостатков существующих на сегодняшний день роботических систем.All this served as a serious basis for the development of a new robotic system for endovideo surgical interventions, which could avoid the presence of the presented shortcomings of the existing robotic systems.

Задачей изобретения является разработка роботической системы для мини-инвазивной хирургии, которая должна отвечать ряду требований, а именно: 1) иметь невысокую стоимость самой роботической системы, а так же комплектующих к ней, которая позволит оснастить ей большинство лечебных учреждений;The objective of the invention is the development of a robotic system for minimally invasive surgery, which must meet a number of requirements, namely: 1) have a low cost of the robotic system itself, as well as components for it, which will equip it with most hospitals;

2) достижение высокой эргономичности конструкции роботической системы, которая должна занимать незначительное рабочее пространство в операционной и иметь возможность быстрой и удобной смены инструментов во время оперативного вмешательства, а так же иметь высокую маневренность, которая позволит быстро передвигать камеру и манипуляторы при смене зоны оперирования;2) achieving high ergonomic design of the robotic system, which should occupy a small working space in the operating room and have the ability to quickly and conveniently change tools during surgery, as well as have high maneuverability, which will allow you to quickly move the camera and manipulators when changing the operating area;

3) отсутствие жесткой механической мертвой точки, то есть той точки, в которой не происходит движения инструмента.3) the absence of a rigid mechanical dead point, that is, the point at which the tool does not move.

4) простота в использовании, которая позволит быстро и качественно обучить практикующих хирургов, а так же операционных сестер работе с данной роботической системой.4) ease of use, which will quickly and efficiently train practicing surgeons, as well as operating sisters, to work with this robotic system.

Технический результат при использовании изобретения - высокая эргономичность; минимальные эксплуатационные и расходные затраты; маневренность; возможность использования в малых по площади операционных комнатах; легкость и удобство в управлении и обслуживании; надежность и безопасность во время работы.The technical result when using the invention is high ergonomics; minimum operational and expense costs; maneuverability; the possibility of use in small operating rooms; ease and convenience in management and service; reliability and safety during operation.

Указанный технический результат достигается тем, что в роботической системе для мини-инвазивной хирургии, содержащей дистанционный пульт управления и 3-5 манипуляторов с инструментальной площадкой, содержащей блок инструментов с приводом, согласно изобретению каждый манипулятор содержит основание, в котором выполнено отверстие, закреплены четыре шаговых двигателя, каждый из которых на своем валу имеет рычаг, на конце которого с двух сторон зафиксированы верхние шарнирные наконечники, присоединенные к тягам, а другие концы тяг соединены с нижними шарнирными наконечниками, при этом нижние шарнирные наконечники присоединены к платформе, на которой вертикально запрессована бронзовая втулка с возможностью поворота вокруг оси Х вилки, на концах которой имеются отверстия, в которые продеты штифты инструментальной площадки с возможностью ее движения по оси Y, при этом инструментальная площадка снабжена двумя шаговыми двигателями, на валах которых закреплены колесики с зубьями, обеспечивающими зацеп за отверстия колесиков в блоке инструментов и механическую передачу поворота шаговых двигателей в поворот бранш или хвостовика инструмента вокруг оси, при этом один шаговый двигатель обеспечивает управлением браншами или хвостовиком инструмента, а другой - поворотом инструмента вокруг своей оси, причем манипуляторы через отверстия в основаниях жестко закреплены на несущей раме, выполненной с возможностью ее подвешивания на консоли к потолку операционной.The specified technical result is achieved by the fact that in the robot system for minimally invasive surgery containing a remote control and 3-5 manipulators with an instrument platform containing a tool block with a drive, according to the invention, each manipulator contains a base in which an opening is made, four step engine, each of which has a lever on its shaft, at the end of which upper hinged tips attached to the rods are fixed on both sides, and the other ends of the rods are connected s with lower hinged tips, while the lower hinged tips are attached to a platform on which a bronze bushing is vertically pressed in so that it can rotate around the X axis of the fork, at the ends of which there are holes in which the pins of the tool platform are inserted with the possibility of its movement along the Y axis, This tool platform is equipped with two stepper motors, on the shafts of which wheels with teeth are fixed, providing a hook for the holes of the wheels in the tool block and a mechanical transmission from stepper motors to rotate the jaw or shank of the tool around the axis, while one stepper motor provides control of the jaws or shank of the tool, and the other by turning the tool around its axis, and the manipulators are rigidly fixed through the holes in the bases on a supporting frame made to suspend it on the console to the ceiling of the operating room.

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами: на фиг.1 манипулятор предлагаемой роботизированной системы, общий вид; на фиг.2 - инструментальная площадка с блоком инструмента; на фиг.3-мертвая точка предлагаемой модели хирургического робота; на фиг.4 - общий вид работы предлагаемой роботической системы.The invention is illustrated by the following figures: in figure 1, the manipulator of the proposed robotic system, General view; figure 2 - tool pad with a tool block; figure 3 is the dead point of the proposed model of a surgical robot; figure 4 is a General view of the proposed robot system.

Предлагаемая хирургическая роботическая система содержит дистанционный пульт, с помощью которого осуществляется управление манипуляторами в количестве от трех до пяти, жестко закрепленными на несущей раме, которая подвешена на консоли к потолку операционной. Консоль обеспечивает перемещение рамы с хирургическими манипуляторами в 3-х пространствах X, Y и Z вокруг пациента в зависимости от хирургического доступа и области оперирования.The proposed surgical robotic system contains a remote control, with the help of which manipulators are controlled in an amount of three to five, rigidly mounted on a supporting frame, which is suspended on the console from the operating ceiling. The console provides movement of the frame with surgical manipulators in 3 spaces X, Y and Z around the patient, depending on the surgical access and area of operation.

Все хирургические манипуляторы имеют одинаковую конструкцию параллельного робота: содержат основание 1, на котором выполнено отверстие 2 и закреплены четыре шаговых двигателя 3, каждый из которых на своем валу имеет рычаг 4. С двух сторон на конце рычагов болтами 5 прикручены верхние шарнирные наконечники 6. Таким образом, на каждом рычаге имеется два верхних шарнирных наконечника. Верхние шарнирные наконечники прикручены к тягам 7, другие концы тяг соединены с нижними шарнирными наконечниками 8. Нижние шарнирные наконечники болтами прикручены к платформе 9, на которой вертикально запрессована бронзовая втулка 10, обеспечивающая поворот вокруг оси Х вилки 11. На концах вилки имеется отверстия 12, в которые продеты штифты инструментальной площадки 13 и обеспечивающие движения по оси Y. Таким образом, данная конструкция имеет три степени свободы и позволяет производить движения по осям X, Y и Z, сохраняя пространственную ориентации платформы 9 (фиг.1).All surgical manipulators have the same design of a parallel robot: they contain a base 1 on which a hole 2 is made and four stepper motors 3 are fixed, each of which has a lever 4 on its shaft. The upper hinged tips are bolted 5 from two sides at the end of the levers. thus, on each arm there are two upper pivot points. The upper pivot points are screwed to the rods 7, the other ends of the rods are connected to the lower pivot points 8. The lower pivot points are bolted to a platform 9, on which a bronze bushing 10 is vertically pressed in, allowing rotation around the axis X of the plug 11. There are holes 12 at the ends of the plug, into which the pins of the tool pad 13 are inserted and providing movement along the Y axis. Thus, this design has three degrees of freedom and allows movements along the X, Y, and Z axes, while maintaining spatial orientation the orientation of the platform 9 (figure 1).

Инструментальная площадка предназначена для фиксации сменного инструмента и управления им. На инструментальной площадке 13 размещены два шаговых двигателя 14. На валах шагового двигателя 14 закреплены колесики 15, имеющие зубья 16. С помощью этих зубьев происходит зацеп за отверстия 17 колесиков 18 в блоке 19 инструментов и механическая передача поворота шаговых двигателей в поворот бранш или хвостовика инструмента 20 вокруг оси. Один шаговый двигатель обеспечивает управлением браншами инструментов, а другой - поворотом инструмента вокруг своей оси (фиг.2). Через отверстия 2 в основаниях 1 на несущей раме 21 с помощью болтов жестко закреплены манипуляторы 22. Несущая рама 21 подвешена на консоли 23 к потолку операционной. Манипуляторы 22 соединены с дистанционным пультом управления 24 (фиг.4).The tool pad is designed to fix the interchangeable tool and control it. Two stepper motors 14 are placed on the tool platform 13. Castors 15 are mounted on the shafts of the stepper motor 14 and have teeth 16. These teeth engage the holes 17 of the wheels 18 in the tool block 19 and transfer the rotation of the stepper motors to the jaw or tool shank mechanically. 20 around the axis. One stepper motor provides control of the jaws of the tools, and the other by turning the tool around its axis (figure 2). Manipulators 22 are rigidly fixed through bolts 2 in the bases 1 on the carrier frame 21 with bolts 22. The carrier frame 21 is suspended on the console 23 from the operating ceiling. Manipulators 22 are connected to a remote control 24 (Fig. 4).

Изобретение используется следующим образом.The invention is used as follows.

Хирург садится за дистанционный пульт управления роботической сиcтемы для проведения эндовидеохирургических вмешательств, и после нажатия комбинации клавиш приводит ее в рабочее состояние, в результате чего блоки манипуляторов роботической системы опускаются с несущей рамы, которая крепится к потолку. При этом операционная сестра находится в непосредственной близости от пациента и манипуляторов и по команде хирурга устанавливает в манипуляторы необходимые инструменты и эндоскопическую камеру, после чего хирург, находящийся за пультом управления, начинает оперативное лечение пациента.The surgeon sits down at the remote control panel of the robotic system for endovideosurgical interventions, and after pressing the key combination brings it into working condition, as a result of which the blocks of manipulators of the robotic system are lowered from the carrier frame, which is attached to the ceiling. At the same time, the operating nurse is in close proximity to the patient and the manipulators and, on the command of the surgeon, installs the necessary tools and an endoscopic camera into the manipulators, after which the surgeon, who is behind the control panel, begins surgical treatment of the patient.

В предлагаемой конструкции мертвая точка не имеет фиксированного расположения, она может располагаться в любом месте инструмента, в месте прокола мягких тканей (фиг.3).In the proposed design, the dead center does not have a fixed location, it can be located anywhere in the instrument, in the place of puncture of soft tissues (figure 3).

При этом операционная сестра должна постоянно находиться вблизи манипуляторов для своевременной смены инструментов в течение операции.At the same time, the operating nurse should always be near the manipulators for timely change of tools during the operation.

После окончания оперативного лечения операционная сестра удаляет инструменты из манипуляторов, а хирург приводит роботическую систему в выключенное состояние, при котором блоки манипуляторов вновь поднимаются вверх к потолочной консоли.After the end of surgical treatment, the operating sister removes the instruments from the manipulators, and the surgeon sets the robot system off, in which the manipulator units again rise up to the ceiling console.

Claims

A robotic system for minimally invasive surgery, comprising a remote control panel and 3-5 manipulators with an instrument platform containing a toolbox with a drive, characterized in that each manipulator contains a base in which an opening is made, four stepper motors are fixed, each of which is mounted on has a lever on its shaft, at the end of which upper articulated tips attached to the rods are fixed on both sides, and the other ends of the rods are connected to the lower articulated tips, while the lower the pivot tips are attached to a platform on which a bronze bushing is vertically pressed in so that it can rotate around the X axis of the plug, at the ends of which there are holes into which the pins of the tool platform are inserted with the possibility of its movement along the Y axis, while the tool platform is equipped with two stepper motors, the shafts of which are fixed wheels with teeth, providing a hook for the holes of the wheels in the tool block and the mechanical transmission of the rotation of the stepper motors in the rotation of the branch or shank and of the tool around the axis, while one stepper motor provides control of the jaws or the shank of the tool, and the other allows the tool to rotate around its axis, and the manipulators are rigidly fixed through the holes in the bases to the supporting frame, which can be suspended on the console from the operating ceiling.