RU2721462C1

RU2721462C1 - Evaluation of force on robotosurgical instrument

Info

Publication number: RU2721462C1
Application number: RU2019143616A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Пушкарь; Рахим Суфьянович Нахушев
Original assignee: Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-05-19
Also published as: WO2021133229A1

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medicine, namely to a system of minimal invasive intervention. System comprises a manipulator and a system for assessing the forces acting on the instrument during a surgical operation. Manipulator has a support configured to secure the trocar and to secure the actuator of the surgical instrument. Force evaluation system includes a three-axis lower strain gauge (2), a three-axis top strain gauge (1), a force sensor for capturing tool actuating surfaces and a sensor for rotating the surgical instrument. Three-axis lower strain gauge is located on support of manipulator in point of fixation of trocar and is in direct contact with it. Three-axis top strain gauge is located on the manipulator support under the surgical tool drive. Grip force sensor is made in the form of current sensor for electric motor of tool drive, which provides compression of actuating surfaces of tool. Torque sensor is made in the form of a current sensor for the electric motor of the tool drive, which provides rotation of the surgical tool around its longitudinal axis. Strain gauges are connected to digital data processing modules. Grip force sensor and torque sensor are connected with motor control systems. Digital processing modules and electric motor control systems are connected to a processing module which is programmed to perform the following calculation: forces directed along linear axes; rotary moments of the tool along the x and y axes relative to the trocar insertion point into the patient's body; the tool rotational moment along the z axis relative to the trocar insertion point into the patient's body; forces of compression of tool actuating surfaces. Each digital processing module is programmed to use a digital low-pass filter and a band-guard filter algorithm for said force, measured by a strain gauge. Processing module is programmed to: compensate for gravity acting on support of manipulator and tool; compensation of forces caused by resistance of trocar to movement of tool; compensation for dynamic characteristics of elements arranged on electric motors rotational axis. Processing module is configured to transmit data to the robot-surgical complex control system.

EFFECT: invention provides reliable determination of force sources acting on the surgical instrument during operation, as well as accurate measurement of these forces in conditions of high electromagnetic noise.

3 cl, 9 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к ассистирующим хирургическим комплексам для проведения минимально инвазивных хирургических операций. Более конкретно, изобретение относится к медицинским системам минимального инвазивного вмешательства с устройством для оценки усилия, возникающего на кончике хирургического инструмента при касании им ткани пациента, а также усилий на уровне отверстия доступа хирургического инструмента в тело пациента и иных сил, случайно или ожидаемо действующих в процессе работы на расположенную в теле пациента часть хирургического инструмента.The invention relates to assisting surgical complexes for minimally invasive surgery. More specifically, the invention relates to medical systems for minimally invasive intervention with a device for assessing the force arising on the tip of a surgical instrument when it touches the patient’s tissue, as well as the forces at the level of the surgical instrument’s access hole into the patient’s body and other forces acting inadvertently or expected work on the part of the surgical instrument located in the patient’s body.

Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

Актуальным направлением развития роботохирургии является разработка и внедрение систем обратной связи. Обратная связь – метод, позволяющий определять хирургу количество и качество прикладываемых к тканям воздействий. При проведении классической полостной операции обратной связью для хирурга являются визуальное восприятие происходящего, а также тактильные ощущения, вызываемые прикосновениями к ткани руками или используемым хирургическим инструментом. The actual direction of the development of robotic surgery is the development and implementation of feedback systems. Feedback is a method that allows the surgeon to determine the quantity and quality of the effects applied to the tissues. When performing a classical abdominal operation, the feedback for the surgeon is the visual perception of what is happening, as well as the tactile sensations caused by touching the tissue with your hands or using a surgical tool.

Направление развития роботохирургии стремится обеспечить хирургу ощущения, привычные ему из опыта открытой операции: качественный обзор рабочего поля и интуитивно понятное и логичное управление инструментами, - но в условиях использования современных малоинвазивных технологий. Для передачи хирургу тактильных воздействий от соприкосновения с тканями пациента необходимо комплексное решение нескольких задач:The direction of development of robotic surgery seeks to provide the surgeon with the sensations familiar to him from the experience of an open operation: a qualitative overview of the working field and intuitive and logical control of instruments, but in conditions of using modern minimally invasive technologies. In order to transfer tactile influences to the surgeon from contact with the patient’s tissues, a complex solution of several tasks is necessary:

• Создание системы оценки сил, действующих на исполнительный механизм - инструмент;• Creation of a system for evaluating the forces acting on the actuator - a tool;

• Обработка данных о приложенных силах с использованием системы управления;• Processing data on applied forces using a control system;

• Передача обработанных данных о действующих силах хирургу для восприятия, оценки и принятия им решений.• Transfer of processed data about the existing forces to the surgeon for perception, evaluation and decision-making.

Точная силовая обратная связь (тактильная силовая обратная связь) - важнейший признак, обеспечивающий безопасность и улучшающий качество процедур, выполняемых в течение роботохирургической операции. Задача создания силовой обратной связи является одной из ключевых задач для разработчиков роботохирургических комплексов и решается она с использованием различных подходов. Accurate force feedback (tactile force feedback) is the most important feature that ensures safety and improves the quality of procedures performed during a robotic surgery. The task of creating power feedback is one of the key tasks for developers of robotic surgical complexes and it is solved using various approaches.

Возможные подходы к созданию систем обратной связи, их анализ и недостатки подробно изложены в заявке US2018194013 A1, опубликованной 12.07.2018. US2018194013 A1 описывает способ оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы, который заключается в косвенном контроле, при котором действия сил на кончик инструмента оцениваются/вычисляются через анализ сил, возникающих при этом на другом, противоположном конце инструмента. Для этого по шести степеням свободы измеряются силы, действующие со стороны инструмента на консоль блока крепления инструмента, на котором этот конец инструмента закреплен. Дополнительно рассчитывается расстояние от блока крепления инструмента до троакара, по результатам которого вводятся поправочные коэффициенты при оценке сил. Система силовой обратной связи имеет возможность косвенно оценивать положение кончика инструмента с использованием внешнего по отношению к инструменту тензометрического датчика; измерительные элементы системы расположены в зоне, удаленной от зоны помех электрокоагуляции; а также система имеет возможность рассчитывать и компенсировать силы, возникающие от контакта с троакаром. Possible approaches to the creation of feedback systems, their analysis and disadvantages are described in detail in the application US2018194013 A1, published 12.07.2018. US2018194013 A1 describes a method for evaluating the forces acting on a tool of a robotic surgical system, which consists in indirect control, in which the actions of the forces on the tip of the tool are evaluated / calculated by analyzing the forces that arise at the other, opposite end of the tool. For this, the forces acting from the tool side on the console of the tool mounting block on which this end of the tool is fixed are measured using six degrees of freedom. Additionally, the distance from the instrument mounting block to the trocar is calculated, according to the results of which correction factors are introduced when assessing forces. The power feedback system has the ability to indirectly evaluate the position of the tip of the tool using a strain gauge external to the tool; measuring elements of the system are located in a zone remote from the zone of interference of electrocoagulation; and also the system has the ability to calculate and compensate for the forces arising from contact with the trocar.

Тем не менее, описанная в заявке силовая обратная связь не имеет возможности контролировать силу сжатия браншей хирургического инструмента (одно тактильное ощущение) и не имеет возможности оценивать дополнительные силы, возникающие при соприкосновении инструмента и троакара. Использование тензометрического датчика, обладающего шестью степенями свободы, не позволяет однозначно определить природу измеряемых сил, что снижает эффективность системы. В данной компоновке один и тот же набор сил может быть вызван как контактом с тканями пациента, так и от касания троакара.Nevertheless, the force feedback described in the application does not have the ability to control the compressive force of the jaws of a surgical instrument (one tactile sensation) and does not have the ability to evaluate the additional forces arising from the contact of the instrument and the trocar. Using a strain gauge sensor with six degrees of freedom does not allow us to unambiguously determine the nature of the measured forces, which reduces the efficiency of the system. In this arrangement, the same set of forces can be caused by contact with the patient’s tissues or by touching the trocar.

Существующие контуры силовой обратной связи для ассистирующих хирургических комплексов не позволяют решить следующую совокупность проблем, что понижает эффективность роботохирургического комплекса в целом:The existing power feedback loops for assisting surgical complexes do not allow solving the following set of problems, which reduces the effectiveness of the robotic surgical complex as a whole:

1. Достаточно достоверно и точно оценивать силы, воздействующие на инструмент при взаимодействии исполнительных поверхностей инструмента и тканей по семи и более осям;1. It is sufficient to reliably and accurately evaluate the forces acting on the tool during the interaction of the executive surfaces of the tool and fabrics along seven or more axes;

2. Достаточно достоверно и точно выделять и оценивать силы как контролируемые, так и непроизвольно возникающие как результат взаимодействия иных, не исполнительных поверхностей инструмента, с органами и тканями пациента; 2. It is sufficient to reliably and accurately isolate and evaluate forces that are both controlled and involuntarily arising as a result of the interaction of other, non-executive surfaces of the instrument, with the organs and tissues of the patient;

3. Достаточно достоверно и точно выделять и оценивать силы, воздействующие на инструмент при контакте с троакаром;3. It is sufficient to reliably and accurately isolate and evaluate the forces acting on the instrument in contact with the trocar;

4. Обеспечивать возможность работы в условиях повышенного электромагнитного шума, вызываемого электрокоагуляционными приборами.4. Provide the ability to work in conditions of increased electromagnetic noise caused by electrocoagulation devices.

Таким образом, существует потребность в усовершенствовании системы оценки сил для использования ее в контуре силовой обратной связи для роботизированного хирургического устройства. Именно решению перечисленных проблем посвящено настоящее изобретение.Thus, there is a need to improve the force assessment system for use in a force feedback loop for a robotic surgical device. It is the solution of these problems that the present invention is about.

Суть изобретенияThe essence of the invention

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является достоверное определение источников сил, воздействующих на хирургический инструмент во время работы, по семи и более осям, а также точное измерение этих сил в условиях повышенного электромагнитного шума.The technical problem to which the present invention is directed is the reliable determination of the sources of forces acting on the surgical instrument during operation, along seven or more axes, as well as the accurate measurement of these forces in conditions of increased electromagnetic noise.

Технический результат настоящего изобретения состоит в разработке медицинской системы минимального инвазивного вмешательства с новой конструкцией и алгоритмом системы оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы для решения задачи получения данных, необходимых для внедрения системы тактильной обратной связи в режиме реального времени, при этом система оценки сил одновременно удовлетворяет следующим требованиям:The technical result of the present invention is to develop a medical system for minimally invasive intervention with a new design and algorithm for evaluating the forces acting on the instrument of a robotic surgical system to solve the problem of obtaining the data needed to implement a tactile feedback system in real time, while the force assessment system simultaneously satisfies the following requirements:

1. Возможность оценки сил, действующих на хирургический инструмент роботизированной хирургической системы, приложенных к любой части его конструкции;1. The ability to evaluate the forces acting on the surgical instrument of a robotic surgical system applied to any part of its structure;

2. Однозначность определения направления и численного значения приложенной к хирургическому инструменту силы;2. The uniqueness of determining the direction and numerical value of the force applied to the surgical instrument;

3. Возможность бесперебойной работы системы оценки сил в условиях использования электрокоагуляции хирургическим инструментом;3. The possibility of uninterrupted operation of the force assessment system under the conditions of using electrocoagulation with a surgical instrument;

4. Возможность измерения силы захвата, возникающей при смыкании браншей хирургического инструмента;4. The ability to measure the gripping force that occurs when closing the jaws of a surgical instrument;

5. Система оценки сил должна минимальным образом влиять на конструкцию используемого инструмента;5. The force assessment system should have a minimal effect on the design of the tool used;

6. Обеспечение возможности передачи данных об измеренных силах на внешние системы управления роботохирургическим комплексом;6. Providing the ability to transmit data on measured forces to external control systems of the robotic surgical complex;

7. Устойчивость к электромагнитным помехам от бытовой сети;7. Immunity to electromagnetic interference from a household network;

8. Возможность использования измерительных датчиков различного типа и принципа действия для разных степеней свободы.8. The possibility of using measuring sensors of various types and operating principles for different degrees of freedom.

Разрабатываемая конструкция и алгоритм системы оценки сил должна точно и дифференцированно по источникам измерять силы воздействия на хирургический инструмент в процессе работы и осуществлять передачу измеренных данных на вышестоящую систему управления.The design and algorithm of the force assessment system that is being developed must accurately and differentially determine the impact force on the surgical instrument during operation and transmit the measured data to a higher-level control system.

Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается, прежде всего, новой схемой и структурой системы оценки сил, которая позволяет повысить эффективность и функциональность роботохирургического комплекса.The solution of the problem and the achievement of the technical result is ensured, first of all, by the new scheme and structure of the force assessment system, which allows to increase the efficiency and functionality of the robotic surgical complex.

Предлагаемая система согласно настоящему изобретению предназначена для измерения сил, воздействующих на инструмент в процессе проведения роботохирургической операции, и передачи информации, содержащей результаты измерений. Система является составной частью исполнительного механизма робот-ассистированного хирургического комплекса и реализует функционал измерения для реализации комплексом тактильной обратной связи. Система оценки сил, используемая в контуре силовой обратной связи, должна обладать следующими функциями:The proposed system according to the present invention is designed to measure the forces acting on the instrument during a robotic surgery, and transmit information containing the measurement results. The system is an integral part of the actuator of the robot-assisted surgical complex and implements the measurement functionality for the implementation of the tactile feedback complex. The force assessment system used in the power feedback loop should have the following functions:

• Измерение данных прикладываемых к инструменту сил с использованием нескольких многоосевых тензометрических датчиков;• Measurement of data applied to the tool forces using several multi-axis strain gauge sensors;

• Первичная обработка данных о прикладываемых силах с обеспечением условия ограничения частотных характеристик сигналов с целью уменьшения измерительных шумов и подавления влияния электромагнитных наводок;• Primary processing of data on the applied forces to ensure conditions for limiting the frequency characteristics of the signals in order to reduce the measurement noise and suppress the influence of electromagnetic interference;

• Передача обработанных данных в режиме реального времени на вышестоящую систему управления с использованием проводного или беспроводного интерфейса связи.• Transfer of processed data in real time to a higher-level control system using a wired or wireless communication interface.

Более конкретно, техническая задача и технический результат достигаются за счет того, что медицинская система минимального инвазивного вмешательства включает манипулятор, имеющий опору, сконфигурированную для закрепления троакара и для закрепления привода хирургического инструмента минимального инвазивного вмешательства, а также систему оценки сил, воздействующих на инструмент в течение хирургической операции, причем система оценки сил включает трехосевой нижний тензометрический датчик, расположенный на опоре манипулятора в месте закрепления троакара и находящийся в непосредственном контакте с ним, для измерения сил, приложенных к инструменту и направленных вдоль осей х и у, трехосевой верхний тензометрический датчик, расположенный на опоре манипулятора под приводом хирургического инструмента, для измерения силы, приложенной к инструменту и направленной вдоль оси z, датчик усилия захвата исполнительных поверхностей инструмента, выполненный в виде датчика силы тока для электродвигателя привода инструмента, обеспечивающего сжатие исполнительных поверхностей инструмента, датчик момента вращения хирургического инструмента, выполненный в виде датчика силы тока для электродвигателя привода инструмента, обеспечивающего вращение хирургического инструмента вокруг его продольной оси, причем тензометрические датчики соединены с соответствующими модулями цифровой обработки данных, причем датчик усилия захвата и датчик момента вращения соединены с соответствующими системами управления электродвигателем, модули цифровой обработки и системы управления электродвигателями соединены с модулем обработки, который запрограммирован для осуществления вычисления посредством групповой обработки и синхронизации сигналов от тензометрических датчиков, датчика момента вращения и датчика усилия захвата: сил, направленных вдоль линейных осей, вращательных моментов инструмента вдоль осей х и у относительно точки ввода троакара в тело пациента, вращательного момента инструмента вдоль оси z относительно точки ввода троакара в тело пациента, усилия сжатия исполнительных поверхностей инструмента, при этом каждый модуль цифровой обработки запрограммирован для использования цифрового фильтра нижних частот и алгоритма полосно-заграждающего фильтра для данных усилия, измеренных тензометрическим датчиком, а модуль обработки запрограммирован для компенсации силы тяжести, действующей на опору манипулятора и инструмента, компенсации сил, вызываемых сопротивлением троакара движению инструмента, и компенсации динамических характеристик элементов, размещенных на оси вращения электродвигателей, модуль обработки выполнен с возможностью передачи данных на систему управления роботохирургическим комплексом.More specifically, the technical problem and the technical result are achieved due to the fact that the medical system of minimally invasive intervention includes a manipulator having a support configured to secure the trocar and to secure the drive of the surgical instrument to the minimum invasive intervention, as well as a system for evaluating the forces acting on the instrument during surgical operation, and the force assessment system includes a three-axis lower strain gauge located on the support of the manipulator in the place of attachment of the trocar and in direct contact with it, to measure the forces applied to the instrument and directed along the x and y axes, a three-axis upper strain gauge located on the support of the manipulator under the drive of the surgical instrument, for measuring the force applied to the instrument and directed along the z axis, a sensor of the gripping force of the executive surfaces of the instrument, made in the form of a current sensor for an electric motor the drive of the tool, providing compression of the Executive surfaces of the instrument, the torque sensor of the surgical instrument, made in the form of a current sensor for the electric motor drive the instrument, which rotates the surgical instrument around its longitudinal axis, and strain gauge sensors are connected to the respective digital data processing modules, and the capture force sensor and the torque sensor are connected to the corresponding motor control systems, the digital processing modules and the motor control systems are connected to the processing module, which is programmed to carry out the calculation by group processing and synchronization of signals from strain gauge sensors, torque sensor and gripping force sensor: forces directed along linear axes, rotational moments of the instrument along the x and y axes relative to the point of entry of the trocar into the patient’s body, relate the rotational moment of the instrument along the z axis the entry point of the trocar into the patient’s body, the compression forces of the executive surfaces of the instrument, each digital processing module is programmed to use a digital low-pass filter and a band-stop filter algorithm for the force data measured by a strain gauge, and the processing module is programmed to compensate for gravity, acting on the support of the manipulator and the tool, compensation of the forces caused by the resistance of the trocar to the movement of the tool, and compensation of the dynamic characteristics of the elements located on the axis of rotation of the electric motors, the processing module is configured to transmit data to the control system of the robotic surgical complex.

В некоторых вариантах осуществления изобретения медицинская система характеризуется тем, что модули цифровой обработки и системы управления электродвигателями соединены с модулем обработки посредством шины данных, которая представляет проводное или беспроводное соединение.In some embodiments of the invention, the medical system is characterized in that the digital processing modules and the motor control systems are connected to the processing module via a data bus that represents a wired or wireless connection.

В некоторых вариантах осуществления изобретения медицинская система характеризуется тем, что что модули цифровой обработки расположены возле тензометрических датчиков.In some embodiments of the invention, the medical system is characterized in that the digital processing modules are located near the strain gauge sensors.

Система оценки сил, входящая в контур силовой обратной связи роботохирургического комплекса, решает задачу и достигает технический результат благодаря наличию в составе следующих признаков:The force assessment system included in the power feedback loop of the robotic surgical complex solves the problem and achieves a technical result due to the presence of the following features:

1. Введение как минимум двух точек контроля сил, действующих на инструмент, при этом в каждой точке используются датчики силы. 1. Introduction of at least two points of control of forces acting on the tool, with force sensors used at each point.

2. Расположение датчиков силы относительно друг друга таким образом, чтобы получить максимально полную и достоверную информацию, что в итоге повышает точность и упрощает и, как следствие, сокращает время расчетов.2. The location of the force sensors relative to each other in such a way as to obtain the most complete and reliable information, which ultimately improves accuracy and simplifies and, as a result, reduces the calculation time.

3. Расположение одного из датчиков силы непосредственно в месте крепления троакара.3. The location of one of the force sensors directly in the place of attachment of the trocar.

4. Понижение требований к датчикам силы и замена 6-DOF датчиков на датчики 3-DOF как следствие смены схемы измерения, что значительно удешевляет конструкцию, но при этом повышает надежность и достоверность измерения.4. Reducing the requirements for force sensors and replacing 6-DOF sensors with 3-DOF sensors as a result of changing the measurement scheme, which significantly reduces the cost of the design, but at the same time increases the reliability and reliability of the measurement.

5. Использование датчика силы тока, измеряющего усилия смыкания браншей.5. The use of a current sensor that measures the closing force of the jaws.

6. Использование датчика силы тока, измеряющего вращательный момент поворота инструмента вокруг продольной оси.6. The use of a current sensor that measures the rotational moment of rotation of the tool around the longitudinal axis.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов его осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the present description, illustrate embodiments of the invention and, together with the above general description of the invention and the following detailed description of embodiments, serve to explain the principles of the present invention.

Фиг. 1 изображает структурную схему реализации системы силовой обратной связи, интегрированную в робот-ассистирующий хирургический комплекс.FIG. 1 shows a block diagram of an implementation of a power feedback system integrated in a robot-assisted surgical complex.

Фиг. 2 иллюстрирует схематическое изображение хирургического инструмента, расположенного на опоре, закрепленной на манипуляторе.FIG. 2 illustrates a schematic representation of a surgical instrument located on a support mounted on a manipulator.

Фиг.3 изображает архитектуру системы оценки сил.Figure 3 depicts the architecture of a force assessment system.

Фиг. 4 иллюстрирует хирургический инструмент и тензометрические датчики по отношению к декартовой системе координат.FIG. 4 illustrates a surgical instrument and strain gauges with respect to a Cartesian coordinate system.

Фиг. 5 иллюстрирует структурную схему модуля цифровой обработки.FIG. 5 illustrates a block diagram of a digital processing module.

Фиг. 6 представляет амплитудно-частотную характеристику фильтра нижних частот модуля цифровой обработки.FIG. 6 is an amplitude frequency response of a low pass filter of a digital processing module.

Фиг. 7 представляет амплитудно-частотную характеристику полосно-заграждающего (режекторного) фильтра.FIG. 7 represents the amplitude-frequency response of a band-stop (notch) filter.

Фиг. 8 иллюстрирует структурную схему для измерения тока, потребляемого двигателем.FIG. 8 illustrates a block diagram for measuring current consumed by a motor.

Фиг. 9 схематически изображает визуализацию работы алгоритма синхронизации.FIG. 9 schematically depicts a visualization of the operation of a synchronization algorithm.

Термины и определенияTerms and Definitions

Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.For a better understanding of the present invention, the following are some of the terms used in the present description of the invention. Unless defined separately, technical and scientific terms in this application have standard meanings generally accepted in the scientific and technical literature.

В настоящем описании и в формуле изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е., в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».In the present description and in the claims, the terms “includes”, “including” and “includes”, “having”, “equipped”, “containing” and their other grammatical forms are not intended to be interpreted in an exclusive sense, but, on the contrary, used in a non-exclusive sense (ie, in the sense of “having in its composition”). As an exhaustive list, only expressions of the “consisting of” type should be considered.

В настоящих материалах заявки под терминами «роботизированный технологический комплекс», «роботизированная система», «роботизированный комплекс», «роботохирургический комплекс», «роботохирургическая система» понимают сложные системы или комплексы в хирургии с использованием робота-ассистента во время операции. «Робот-ассистивные системы» или «робот-ассистированные хирургические системы» - это роботизированные системы, предназначенные для проведения медицинских операций. Это не автономные устройства, робот-ассистивными системами при проведении операции управляют хирурги.In these application materials, the terms “robotic technological complex”, “robotic system”, “robotic complex”, “robotic surgical complex”, “robotic surgical system” mean complex systems or complexes in surgery using a robot assistant during an operation. “Robot-assisted systems” or “robot-assisted surgical systems” are robotic systems designed for medical operations. These are not autonomous devices; surgeon-assisted robotic systems assist in the operation.

В настоящих материалах заявки под термином «мехатронный комплекс» или «мехатронная система» понимают комплекс или систему с компьютерным управлением движения, которые базируются на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.In these application materials, the term “mechatronic complex” or “mechatronic system” is understood to mean a complex or system with computer control of movement, which is based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science and computer control of the movement of machines and assemblies.

В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача-хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами.In this application, the term "operator" means the surgeon performing the operation. The signs "operator" and "surgeon" in the present description of the invention are synonymous.

В настоящих материалах заявки под термином «манипулятор» понимают мехатронный механизм, предназначенный для закрепления и перемещения (изменения положения) хирургического инструмента во время выполнения хирургической операции в соответствии с заданными командами от системы управления роботохирургического комплекса. In the present application materials, the term “manipulator” is understood to mean a mechatronic mechanism designed to fasten and move (reposition) a surgical instrument during a surgical operation in accordance with specified commands from the control system of the robotic surgical complex.

В настоящей заявке под термином «хирургический инструмент», «инструмент» понимают специальный инструмент небольшого размера, который закрепляют в хирургическом роботе для проведения операций. Во время хирургической операции инструменты могут перемещаться, поворачиваться и вращаться в гораздо большем диапазоне и гораздо точнее, чем человеческая рука. В зависимости от типа операции используется соответствующий инструмент, который позволяет ее выполнить наиболее эффективно. Миниатюрный роботохирургический инструмент производит рассечение тканей, перемещение тканей, зажим, наложение швов и прочее, что позволяет работать с труднодоступными участками органов без риска повреждения здоровых тканей.In this application, the term "surgical instrument", "instrument" is understood to mean a special tool of small size, which is fixed in a surgical robot for operations. During surgery, instruments can move, rotate and rotate in a much wider range and much more accurately than a human hand. Depending on the type of operation, an appropriate tool is used that allows it to be performed most efficiently. A miniature robotic surgical instrument performs tissue dissection, tissue movement, clamping, suturing, etc. that allows you to work with hard-to-reach areas of organs without the risk of damage to healthy tissues.

В настоящей заявке под признаком «исполнительные поверхности инструмента», «исполнительная часть инструмента» понимают поверхности инструмента или часть инструмента, с помощью которых инструмент выполняет свое служебное назначение. Как правило, исполнительные поверхности, например, бранши, расположены на конце вводимого в тело пациента инструмента и совершают сложные движения, инициируемые и контролируемые хирургом.In the present application, the sign “executive surfaces of the tool”, “executive part of the tool” is understood to mean the surface of the tool or part of the tool with which the tool performs its official purpose. As a rule, executive surfaces, for example, branches, are located at the end of the instrument introduced into the patient’s body and perform complex movements initiated and controlled by the surgeon.

Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов).The term “connected” means functionally connected, any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.

Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.д. используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты. In addition, the terms “first”, “second”, “third”, etc. they are used simply as conditional markers, without imposing any numerical or other restrictions on the enumerated objects.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенное ниже, приводится исключительно в качестве примера и предназначено для иллюстративных целей и не предназначено для ограничения объема раскрываемого изобретения.The description of exemplary embodiments of the present invention below is provided by way of example only and is for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the invention disclosed.

Настоящее решение относится в целом к интегрированной системе оценке сил в контуре силовой обратной связи, которая является составной частью системы управления ассистирующим хирургическим комплексом. В частности, настоящее решение направлено на создание системы оценки сил воздействия на ткани и органы пациента инструментом в процессе роботохиругической операции. Использование такой системы позволяет реализовать тактильные ощущения для хирурга от контакта поверхностей инструмента с тканями пациента, не создавая ощущений от контакта инструмента с троакаром, которые вынужденно возникают в виде трения и различных боковых сил при перемещении инструмента в троакаре во время работы.This decision relates generally to an integrated system for assessing forces in the power feedback loop, which is an integral part of the control system for an assisting surgical complex. In particular, the present decision is aimed at creating a system for assessing the forces acting on tissues and organs of a patient by an instrument in the process of robotic surgery. Using such a system allows you to realize tactile sensations for the surgeon from the contact of the instrument surfaces with the patient’s tissues, without creating sensations from the instrument’s contact with the trocar, which are forced to arise in the form of friction and various lateral forces when moving the instrument in the trocar during operation.

Система имеет прямые или косвенные механические связи с тканями пациента и аппаратный проводной или беспроводной интерфейс для обмена данными с системой управления роботизированной хирургической системы. Необходимые связи для реализации системы отражены на структурной схеме, приведенной на фиг. 1. The system has direct or indirect mechanical connections with the patient’s tissues and a hardware wired or wireless interface for data exchange with the control system of the robotic surgical system. The necessary connections for the implementation of the system are reflected in the block diagram shown in FIG. 1.

На структурной схеме отображено, что контур «Система управления роботизированной хирургической системы – Манипулятор – Инструмент - Ткани пациента» представляет собой прямой способ передачи планируемых воздействий от системы управления к пациенту. Контур «Ткани пациента – Система оценки сил – Система управления роботизированной хирургической системы» является обратным и служит для контроля фактического, прикладываемого к пациенту воздействия.The structural diagram shows that the contour "Robotic surgical system control system - Manipulator - Instrument - Patient tissue" is a direct way to transfer the planned effects from the control system to the patient. The “Patient Tissues - Strength Assessment System - Robotic Surgical System Control System” circuit is the inverse and serves to control the actual exposure applied to the patient.

Инструмент роботизированной хирургической системы является сложным устройством, к которому предъявляются высокие требования по применяемым материалам, температурным диапазонам и герметичности, что вызвано необходимостью его стерилизации. Системы оценки сил, элементы которых интегрированы непосредственно в инструмент, как правило, обладают сложной конструкцией, могут требовать периодической калибровки и подвержены помехам от систем электрокоагуляции, широко применяемой при малоинвазивных роботизированных хирургических вмешательствах.The instrument of a robotic surgical system is a complex device, to which high demands are made on the materials used, temperature ranges and tightness, which is caused by the need for its sterilization. Force assessment systems, the elements of which are integrated directly into the instrument, as a rule, have a complex design, may require periodic calibration and are subject to interference from electrocoagulation systems, which are widely used in minimally invasive robotic surgical interventions.

Следует отметить, что силы обратной связи воздействуют не только непосредственно на хирургический инструмент, но и, через него, на элементы конструкции крепления инструмента и троакар, который обеспечивает доступ в оперируемую область.It should be noted that the feedback forces act not only directly on the surgical instrument, but also, through it, on the structural elements of the instrument and the trocar, which provides access to the operated area.

Предлагаемое согласно настоящему изобретению решение представляет собой конструкцию крепления инструмента, находящуюся на манипуляторе робот-ассистирующего хирургического комплекса, позволяющую обеспечить измерение сил, действующих на находящиеся на кончике инструмента рабочие поверхности, в контуре обратной связи.The solution proposed according to the present invention is a tool holding structure located on the manipulator of a robot-assisting surgical complex, which allows measuring the forces acting on the working surfaces located on the tip of the tool in the feedback loop.

На фиг. 2 приведено схематическое изображение конструкции крепления хирургического инструмента. Конструкция крепления представляет опору, сконфигурированную для расположения и закрепления на ней троакара и закрепления инструмента путем закрепления привода инструмента. Для точного позиционирования инструмента в конструкции крепления используется держатель троакара. На фиг. 2 цифрами обозначены следующие конструктивные элементы: 1 – трехосевой тензометрический датчик (верхний тензометрический датчик); 2 – трехосевой тензометрический датчик (нижний тензометрический датчик); 3 – держатель троакара. Принятые обозначения на фиг. 2: О1- точка ввода троакара в тело пациента, вокруг которой осуществляются два поворота введенного в троакар инструмента во время операции (нулевая точка), точка находится внутри троакара; А – положение конца хирургического инструмента, который вводится в тело пациента; В – положение противоположного конца хирургического инструмента, установленного в привод хирургического инструмента. Углы ориентации (углы вращения) хирургического инструмента в горизонтальной плоскости и наклона рассматриваются относительного точки вращения (нулевая точка). Нулевая точка O1 определяется как начало отсчета.In FIG. 2 is a schematic illustration of a surgical instrument attachment structure. The attachment design is a support configured to position and secure the trocar thereon and secure the instrument by securing the instrument drive. For accurate positioning of the instrument, a trocar holder is used in the attachment structure. In FIG. 2 numbers indicate the following structural elements: 1 - three-axis strain gauge (upper strain gauge); 2 - three-axis strain gauge sensor (lower strain gauge); 3 - trocar holder. The accepted symbols in FIG. 2: O1 - the point of entry of the trocar into the patient’s body, around which two turns of the instrument introduced into the trocar during the operation are performed (zero point), the point is inside the trocar; A is the position of the end of the surgical instrument that is inserted into the patient’s body; In - the position of the opposite end of the surgical instrument installed in the drive of the surgical instrument. Orientation angles (rotation angles) of the surgical instrument in the horizontal plane and tilt are considered relative points of rotation (zero point). The zero point O1 is defined as the origin.

Механическое взаимодействие элементов инструмента, конструкции крепления хирургического инструмента и элементов манипулятора реализуется через два многоосевых тензометрических датчика, один из которых расположен на одном конце инструмента под приводом инструмента, а другой – в месте закрепления троакара. Расположение тензометрических датчиков представлено на фиг. 2.The mechanical interaction of the tool elements, the mounting design of the surgical instrument and the manipulator elements is realized through two multi-axis strain gauge sensors, one of which is located at one end of the instrument under the drive of the instrument, and the other at the fastening point of the trocar. The location of the strain gauges is shown in FIG. 2.

Такое расположение тензометрических датчиков обладает следующими преимуществами:This arrangement of strain gauges has the following advantages:

• Физическое отдаление чувствительных элементов датчиков от зоны помех электрокоагуляции;• Physical distance of the sensitive elements of the sensors from the zone of interference of electrocoagulation;

• Предоставляет возможность использования различных инструментов без изменения их конструкции;• Provides the ability to use various tools without changing their design;

• Позволяет производить оценку сил по нескольким степеням свободы.• Allows you to evaluate forces on several degrees of freedom.

В качестве многоосевых тензометрических датчиков могут быть применены датчики изгиба на основе тензорезисторов, емкостные датчики деформации или датчики любого иного принципа действия, позволяющие произвести измерение приложенного к ним усилия.As multiaxial strain gauge sensors, bend sensors based on strain gages, capacitive strain gauges or sensors of any other operating principle can be used, which make it possible to measure the force applied to them.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве тензометрических датчиков могут быть использованы датчики деформации с чувствительным элементом в виде тензорезистора. Датчики такого типа обладают высоким выходным сопротивлением, а сигнал имеет малую мощность, что ограничивает его распространение в пространстве.In a preferred embodiment of the invention, strain gauges with a sensing element in the form of a strain gauge can be used as strain gauge sensors. Sensors of this type have a high output resistance, and the signal has low power, which limits its distribution in space.

Конструкция позволяет реализовать следующие возможности:The design allows you to implement the following features:

• Производить оценку сил, действующих на инструмент как минимум в пяти степенях свободы с использованием двух трехосевых тензометрических датчиков (три линейные степени свободы вдоль осей х, у, z и вращательные моменты вокруг осей x и y);• Evaluate the forces acting on the tool in at least five degrees of freedom using two three-axis strain gauges (three linear degrees of freedom along the x, y, z axes and rotational moments around the x and y axes);

• Производить оценку усилия захвата (усилия сжатия), контролируя одну степень свободы (степень свободы при захвате, сжатии исполнительных поверхностей хирургического инструмента);• Evaluate the gripping force (compression force), controlling one degree of freedom (degree of freedom during gripping, compression of the executive surfaces of the surgical instrument);

• Производить оценку вращательной/скручивающей силы, действующей на инструмент (три вращательные степени свободы вокруг осей х, у, z);• Evaluate the rotational / torsional force acting on the tool (three rotational degrees of freedom around the x, y, z axes);

• При оценке сил учитывать силы, возникающие в месте контакта троакара с телом пациента;• When assessing forces, take into account forces arising at the site of contact of the trocar with the patient’s body;

• Обеспечивать достаточную достоверность данных об усилиях в условиях электромагнитных помех, создаваемых электрокоагуляцией.• Ensure sufficient reliability of the data on the efforts in the conditions of electromagnetic interference created by electrocoagulation.

Во время работы исполнительные поверхности, расположенные на конце инструмента, введенного в тело пациента (исполнительная часть инструмента), совершают сложные движения, инициируемые и контролируемые хирургом. При возникновении сопротивления движению исполнительной части инструмента или при соприкосновении частей инструмента с тканью пациента возникает изгиб чувствительного элемента тензометрического датчика по соответствующей оси. Так как инструмент, располагаясь в конструкции крепления хирургического инструмента, контактирует с манипулятором в двух точках, одной из которых является зона расположения троакара, а другая – зона расположения привода хирургического инструмента, то выполняется измерение усилий в обоих точках и дальнейшая совместная обработка данных сигналов.During operation, the executive surfaces located at the end of the instrument inserted into the patient’s body (the executive part of the instrument) perform complex movements initiated and controlled by the surgeon. When resistance occurs to the movement of the executive part of the instrument or when the parts of the instrument come into contact with the patient’s tissue, a bending of the sensing element of the strain gauge along the corresponding axis occurs. Since the instrument, located in the mounting structure of the surgical instrument, is in contact with the manipulator at two points, one of which is the location area of the trocar, and the other is the location area of the surgical instrument’s drive, efforts are measured at both points and further joint processing of these signals.

Выходы тензометрических датчиков подключены непосредственно к модулям цифровой обработки, которые производят усиление сигналов и их перевод в цифровую форму. Модули цифровой обработки могут быть расположены непосредственно возле тензометрических датчиков. Указанное расположение не является обязательным и может быть изменено при необходимости, например, при использовании тензометрических датчиков с платой усиления сигнала. Однако, расположение модуля цифровой обработки сигналов тензометрических датчиков в непосредственной близости к каждому используемому тензометрическому датчику является предпочтительным, так как обеспечивается высокое отношение сигнал-шум и устойчивость к внешним электромагнитным возмущениям.The outputs of the strain gauge sensors are connected directly to the digital processing modules, which amplify the signals and convert them to digital form. Digital processing modules can be located directly next to strain gauges. The specified location is optional and can be changed if necessary, for example, when using strain gauges with a signal amplification board. However, the location of the digital signal processing module of the strain gauge sensors in close proximity to each used strain gauge sensor is preferred, since a high signal-to-noise ratio and resistance to external electromagnetic disturbances are provided.

Для измерения силы захвата/сжатия на исполнительных поверхностях хирургического инструмента, например, браншей, могут быть использованы датчики силы тока для двигателей, реализующих захват/сжатие. Принцип измерения усилия сжатия заключается в увеличении потребления тока двигателями при возникновении сопротивления движению захватывающих элементов конструкции инструмента. Двигатели, реализующие сжатие, являются частью привода хирургического инструмента.To measure the force of capture / compression on the Executive surfaces of a surgical instrument, for example, jaws, current sensors can be used for engines that implement capture / compression. The principle of measuring the compression force is to increase the current consumption of the motors when resistance to the movement of the exciting elements of the tool structure occurs. Compression motors are part of the surgical instrument drive.

Для измерения вращательного момента вокруг оси z может быть применен датчик тока электродвигателя, обеспечивающего вращения вокруг данной оси. Принцип измерения вращательного момента заключается в увеличении потребляемого электродвигателем тока при возникновении сопротивления движению. Двигатели, реализующие вращение вокруг оси z, являются частью привода хирургического инструмента.To measure the rotational moment around the z axis, an electric motor current sensor can be used to ensure rotation around this axis. The principle of measuring torque is to increase the current consumed by the electric motor when resistance to movement occurs. Engines that rotate around the z axis are part of the surgical instrument drive.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве двигателей используют электрические двигатели (электродвигатели). Каждый из датчиков тока двигателей привода хирургического инструмента может быть соединен с системой управления электродвигателем.In a preferred embodiment of the invention, electric motors (electric motors) are used as motors. Each of the current sensors of the surgical drive motors can be connected to an electric motor control system.

Модули цифровой обработки и системы управления электродвигателем соединены с модулем обработки за счет шины данных. Шина данных может представлять собой интерфейс RS485, CAN, Bluetooth или какой-либо другой проводной или беспроводной интерфейс передачи данных. Модуль обработки предназначен для групповой обработки и синхронизации сигналов от тензометрических датчиков, датчика вращательного момента и датчика усилия захвата. Использование отдельного устройства в качестве модуля обработки не является обязательным. Он может быть совмещен с каким-либо модулем цифровой обработки или с системой управления. Система управления использует данные, полученные от модуля обработки для дальнейшей организации обратной связи и передачи сигналов хирургу. Архитектура системы оценки сил представлена на фиг. 3.Digital processing modules and motor control systems are connected to the processing module via a data bus. The data bus may be an RS485, CAN, Bluetooth, or some other wired or wireless data interface. The processing module is designed for group processing and synchronization of signals from strain gauges, a torque sensor and a gripping force sensor. Using a separate device as a processing module is optional. It can be combined with any digital processing module or with a control system. The control system uses the data received from the processing module to further organize feedback and transmit signals to the surgeon. The architecture of the force assessment system is shown in FIG. 3.

Ниже приведен один из возможных вариантов осуществления оценки сил, приложенных к инструменту. Инструмент и тензометрические датчики по отношению к рассматриваемой системе координат изображены на фиг.4.Below is one of the possible options for assessing the forces applied to the tool. The tool and strain gauges in relation to the considered coordinate system are shown in Fig.4.

Силы, приложенные к инструменту и направленные вдоль осей x, y, z, будут вызывать деформацию тензометрических датчиков по соответствующим осям. При этом силы, направленные вдоль осей x и y, будут равны показаниям соответствующих осей тензометрического датчика, расположенного возле троакара (нижний тензометрический датчик). Сила, направленная вдоль оси z, будет равна показаниям тензометрического датчика, расположенного возле привода хирургического инструмента (верхний тензометрический датчик) по оси z. Линейные силы по соответствующим осям:The forces applied to the tool and directed along the x, y, z axes will cause strain gauge deformation along the corresponding axes. In this case, the forces directed along the x and y axes will be equal to the readings of the corresponding axes of the strain gauge located near the trocar (lower strain gauge). The force directed along the z axis will be equal to the readings of the strain gauge located near the drive of the surgical instrument (upper strain gauge) along the z axis. Linear forces along the respective axes:

,

где F _x – сила, направленная вдоль оси x, F _y – сила, направленная вдоль оси y, F _z – сила, направленная вдоль оси z, F _z1 - показания верхнего тензометрического датчика вдоль оси z, F _x2 – показания нижнего тензометрического датчика вдоль оси x, F _y2 - показания нижнего тензометрического датчика вдоль оси y.WhereF _x - force directed along the x axis,F _y - force directed along the y axis,F _z - the force directed along the z axis,F _z1 - readings of the upper strain gauge along the z axis,F _x2 - readings of the lower strain gauge along the x axis,F _y2 - readings of the lower strain gauge along the y axis.

Оценка вращательных моментов возможна за счет расположения тензометрического датчика в непосредственном контакте с троакаром (нижний датчик), а второго датчика - на приводе хирургического инструмента (верхний датчик). При этом вращательные моменты будут пропорциональны разности показаний тензометрических датчиков с учетом поправки на длину плеча. За счет этого справедливы следующие выражения:Evaluation of rotational moments is possible due to the location of the strain gauge sensor in direct contact with the trocar (lower sensor), and the second sensor on the drive of the surgical instrument (upper sensor). In this case, the rotational moments will be proportional to the difference in the readings of the strain gauges taking into account the correction for the length of the shoulder. Due to this, the following expressions are true:

где M _x – момент вращения вокруг оси x, M _y – момент вращения вокруг оси y, F _x1 – показания верхнего тензометрического датчика вдоль оси x, F _y1 - показания верхнего тензометрического датчика вдоль оси y, F _x2 – показания нижнего тензометрического датчика вдоль оси x, F _y2 - показания нижнего тензометрического датчика вдоль оси y, S – расстояние от нулевой точки до места контакта привода хирургического инструмента с тензометрическим датчиком. WhereM _x - moment of rotation around the x axis,M _y - moment of rotation around the y axis,F _x1 - readings of the upper strain gauge along the x axis,F _y1 - readings of the upper strain gauge along the y axis,F _x2 - readings of the lower strain gauge along the x axis,F _y2 - readings of the lower strain gauge along the y axis,S - the distance from the zero point to the point of contact of the surgical instrument drive with a strain gauge.

Для оценки вращательного момента вокруг оси z, а также оценки усилия захвата, необходимо произвести измерение силы тока, потребляемого двигателями, обеспечивающими вращение вокруг оси z и перемещение браншей инструмента во время захвата/сжатия. В предпочтительном варианте осуществления в качестве двигателей используются электрические двигатели (электродвигатели). Как правило, для электрических двигателей зависимость потребляемого тока от приложенной к нему нагрузки близка к линейной, за исключением динамических характеристик, размещенных на оси вращения элементов. To evaluate the rotational moment around the z axis, as well as to evaluate the gripping force, it is necessary to measure the current consumed by the motors providing rotation around the z axis and moving the tool branches during gripping / compression. In a preferred embodiment, electric motors (electric motors) are used as motors. As a rule, for electric motors, the dependence of the consumed current on the load applied to it is close to linear, with the exception of the dynamic characteristics placed on the axis of rotation of the elements.

,

где M _R _z – вращательный момент вокруг оси z, I _z –потребляемый двигателем оси rz ток, kz – коэффициент перевода тока во вращательный момент для двигателя оси rz, M _G – вращательный момент сопротивления захвату, I _G – потребляемый двигателем оси захвата ток, kg – коэффициент перевода силы тока в усилие для двигателя оси захвата.WhereM _R _z - rotational moment around the z axis,I _z –Current consumed by the rz axis motor,kz- the coefficient of conversion of current into torque for the engine axis rz,M _G - rotational moment of resistance to capture,I _G - current consumed by the capture axis motor,kg- the coefficient of conversion of current to force for the capture axis engine.

Приведенные выражения не являются единственно возможным вариантом осуществления оценки сил, приложенных к инструменту, но они являются достаточными для получения достоверных данных, необходимых для работы системы обратной связи в составе роботохирургического комплекса.The above expressions are not the only possible embodiment of the assessment of the forces applied to the tool, but they are sufficient to obtain reliable data necessary for the operation of the feedback system as part of a robotic surgical complex.

При разработке архитектуры системы были учтены предъявляемые к системе требования, а также особенности передачи аналоговых и цифровых сигналов в системах реального времени.When developing the system architecture, the requirements for the system were taken into account, as well as the features of the transmission of analog and digital signals in real-time systems.

Для более точной обработки данных тензометрических датчиков и датчиков силы тока двигателей в описываемой конструкции и способе оценки сил, к модулю преобразования и цифровой обработки предъявлены следующие требования:For more accurate data processing of strain gauges and current sensors of motors in the described design and method of assessing forces, the following requirements are imposed on the conversion and digital processing module:

• Обеспечение возможности преобразования сигналов от трехосевого тензометрического датчика на основе тензорезисторов в цифровую форму;• Providing the ability to convert signals from a three-axis strain gauge sensor based on strain gages to digital form;

• Наличие микропроцессора для возможности фильтрации и цифровой обработки данных;• The presence of a microprocessor for filtering and digital data processing;

• Наличие цифрового интерфейса передачи обработанных данных.• Availability of a digital interface for transmitting processed data.

Структурная схема модуля цифровой обработки представлена на фиг. 5. Сигналы о значении силы по трем степеням свободы, поступающие от тензометрического датчика, преобразуются в цифровую форму за счет аналого-цифрового преобразователя, затем поступают на микропроцессор. Микропроцессор осуществляет первичную обработку сигналов, в состав которой может входить фильтрация, алгоритмы зоны нечувствительности, вычитание влияния силы тяжести и другие. При необходимости микропроцессор может передать обработанные данные с использованием модуля приема и передачи. В качестве шины данных может выступать проводное или беспроводное соединение, например, Bluetooth, Wi-fi, RS485, CAN или другое.The block diagram of the digital processing module is shown in FIG. 5. The signals about the value of the force in three degrees of freedom coming from the strain gauge sensor are converted into digital form due to the analog-to-digital converter, then they are sent to the microprocessor. The microprocessor performs primary signal processing, which may include filtering, deadband algorithms, subtraction of the influence of gravity and others. If necessary, the microprocessor can transmit the processed data using the transmit and receive module. The data bus can be a wired or wireless connection, for example, Bluetooth, Wi-fi, RS485, CAN or another.

С целью обеспечения работы системы в условиях электромагнитных помех целесообразно использование цифрового фильтра нижних частот, а также полосно-заграждающего (режекторного) фильтра с центральной частотой 50 Гц для первичной обработки сигналов от тензометрического датчика. Цифровой фильтр нижних частот – алгоритм, применяемый для подавления сигналов, частота которых превышает заданную. Пример амплитудно-частотной характеристики фильтра нижних частот представлен на фиг. 6.In order to ensure the operation of the system in conditions of electromagnetic interference, it is advisable to use a digital low-pass filter, as well as a band-stop (notch) filter with a central frequency of 50 Hz for the primary processing of signals from a strain gauge. Digital low-pass filter - an algorithm used to suppress signals whose frequency exceeds a predetermined one. An example of an amplitude-frequency characteristic of a low-pass filter is shown in FIG. 6.

Использование алгоритма фильтрации в данной системе позволит произвести подавление заведомо шумовых сигналов, частота которых превышает частоту полезных возмущений, возникающих в системе.Using the filtering algorithm in this system will allow the suppression of deliberately noise signals whose frequency exceeds the frequency of useful disturbances arising in the system.

В связи с использованием в условиях операционной большого количества электроприборов, работающих от электрической сети 220 В 50 Гц, существует необходимость применения дополнительной фильтрации аналоговых сигналов с наличием полосы подавления в зоне 50 Гц. Так как устройство цифровой обработки имеет микропроцессор, является целесообразным применение алгоритма режекторного фильтра. Пример амплитудно-частотной характеристики фильтров подобного типа приведен на фиг. 7.In connection with the use of a large number of electrical appliances operating from an electric network of 220 V 50 Hz in an operating room, there is a need to use additional filtering of analog signals with a suppression band in the 50 Hz zone. Since the digital processing device has a microprocessor, it is advisable to use a notch filter algorithm. An example of the amplitude-frequency response of filters of this type is shown in FIG. 7.

Сила воздействия на тензометрические датчики вызывается двумя основными компонентами: внешними силами, возникающими как результат сопротивления при касании инструментом тканей пациента, и силой тяжести элементов конструкции крепления инструмента и самого инструмента. Сигнал, создаваемый силой тяжести, воздействующей на элементы конструкции, не является полезным для системы оценки сил, приложенных к инструменту, и требует устранения (вычитания).The force of influence on the strain gauge sensors is caused by two main components: external forces arising as a result of resistance when the instrument touches the patient’s tissues, and the gravity of the structural elements of the instrument and the instrument itself. The signal generated by the force of gravity acting on the structural elements is not useful for the system of evaluating the forces applied to the tool, and requires elimination (subtraction).

Инструмент, находящийся в контакте с тензометрическими датчиками, через систему крепления инструмента всегда оказывает на них воздействие, вызванное силой тяжести. Сигналы, вызываемые силой тяжести, действующей на элементы конструкции и инструмент, являются нежелательными для дальнейшей передачи на систему управления. Одним из методов компенсации силы тяжести является вычитание из сигнала тензометрических датчиков постоянных значений, соответствующих силе тяжести и полученных до начала операции методом калибровки. Принцип методики заключается в определении показаний тензометрических датчиков при отсутствии приложенных к инструменту внешних сил, кроме силы тяжести элементов конструкции. Для этого величины сигналов, поступаемых от тензодатчиков, при нахождении инструмента в положении, готовом к работе, запоминаются модулем обработки в качестве нулевого состояния. При дальнейшей работе сигналы, возникающие в системе, будут являться суммой воздействий силы тяжести и сил, прикладываемых к исполнительному механизму инструмента, что позволит эффективно вычитать гравитационную составляющую. Основные преимущества метода состоят в простоте реализации и малых требованиях к вычислительной мощности модуля цифровой обработки. Недостатком является ограничение применения для проведения операций, которые требуют значительного по скорости и амплитуде перемещения элементов конструкции манипулятора, что может создать иное распределение нагрузок от силы тяжести на тензометрические датчики. An instrument in contact with strain gauges through the instrument mounting system always exerts an effect on them caused by gravity. Signals caused by gravity acting on structural members and tools are undesirable for further transmission to the control system. One of the methods for compensating gravity is to subtract constant values corresponding to gravity from the signal of strain gauge sensors and obtained by the calibration method before the operation. The principle of the technique is to determine the readings of strain gauges in the absence of external forces applied to the tool, except for the gravity of the structural elements. For this, the magnitude of the signals received from the load cells, when the tool is in a position ready for operation, are stored by the processing module as a zero state. With further work, the signals arising in the system will be the sum of the effects of gravity and the forces applied to the actuator of the tool, which will effectively subtract the gravitational component. The main advantages of the method are simplicity of implementation and small requirements for the processing power of the digital processing module. The disadvantage is the limitation of the application for operations that require significant speed and amplitude of movement of the structural elements of the manipulator, which may create a different distribution of loads from gravity to strain gauges.

Описанная методика компенсации влияния силы тяжести не является единственно возможной для реализации в рамках описываемой системы оценки сил, приложенных к инструменту. Возможны реализации иных алгоритмов, более эффективно решающих задачу компенсации сил тяжести, например, алгоритмов, основанных на модели движения используемого манипулятора, алгоритмов с частотным разделением сигналов, например, на основе фильтра верхних частот, и других. Реализация более эффективных алгоритмов компенсации сил тяжести не вызывает изменений конструкции и принципа работы описываемой системы оценки сил, приложенных к инструменту.The described methodology for compensating the influence of gravity is not the only one possible to implement, within the framework of the described system, the assessment of forces applied to the tool. Other algorithms are possible that more efficiently solve the problem of compensating gravity, for example, algorithms based on the model of motion of the manipulator used, algorithms with frequency separation of signals, for example, based on a high-pass filter, and others. The implementation of more effective algorithms for compensating gravity does not cause changes in the design and principle of operation of the described system for evaluating the forces applied to the tool.

Существует возможность применения в системе оценки сил алгоритмов компенсации сил, вызываемых сопротивлением троакара движению инструмента, и компенсации динамических характеристик элементов, размещенных на оси вращения двигателей. Использование каких-либо алгоритмов компенсации сопротивления троакара движению инструмента и компенсации динамических характеристик элементов не вызывает изменений конструкции и принципа работы описываемой системы оценки сил, приложенных к инструменту.It is possible to use force compensation algorithms in the system for assessing forces caused by the resistance of a trocar to tool movement and compensate for the dynamic characteristics of elements placed on the axis of rotation of engines. Using any algorithms to compensate the resistance of the trocar to the movement of the instrument and compensate for the dynamic characteristics of the elements does not cause changes in the design and operation principle of the described system for evaluating the forces applied to the instrument.

Измерение вращательного момента M _R _z и усилия захвата М _G возможно реализовать за счет измерения силы тока, потребляемого двигателями. Реализацию данного принципа измерений целесообразно производить за счет интеграции измерительного контура в систему управления двигателями, так как система управления содержит в себе микропроцессор и контур измерения силы тока, протекающего через электродвигатель. Для проведения интеграции была разработана структурная схема, изображенная на фиг. 8.It is possible to measure the torque M _R _z and the gripping forces M _G by measuring the current drawn by the motors. It is advisable to implement this measurement principle by integrating the measuring circuit into the engine control system, since the control system contains a microprocessor and a circuit for measuring the current flowing through the electric motor. To carry out the integration, the block diagram depicted in FIG. 8.

Прикладываемая к элементам конструкции сила вызывает сопротивление движению, которое обеспечивается работой электродвигателя хирургического инструмента и вызывает увеличение потребляемого им тока, протекающего через инвертор и датчик тока. Показания датчика тока переводятся в цифровой вид за счет использования аналого-цифрового преобразователя и передаются в систему управления электродвигателем. Система управления электродвигателем имеет связь с другими элементами системы за счет модуля приема и передачи данных.The force applied to the structural elements causes resistance to movement, which is provided by the electric motor of the surgical instrument and causes an increase in the current consumed by it, flowing through the inverter and current sensor. The readings of the current sensor are digitized through the use of an analog-to-digital converter and transmitted to the motor control system. The motor control system is connected with other elements of the system due to the module for receiving and transmitting data.

Таким образом, информация о приложенных силах получена за счет различных контуров контроля, часть – за счет использования тензометрических датчиков, часть – за счет измерения силы тока двигателей. Для обработки данных, поступающих на модуль обработки (фиг. 3), который является центральным устройством для системы оценки сил, в предпочтительном варианте изобретения используется алгоритм синхронизации данных. Thus, information on the applied forces was obtained due to various control loops, partly through the use of strain gauges, and partly through measuring the current strength of the motors. To process the data received by the processing module (Fig. 3), which is the central device for the force estimation system, a data synchronization algorithm is used in a preferred embodiment of the invention.

Алгоритм синхронизации данных во времени – алгоритм, позволяющий восстановить последовательность событий, происходящих в системе. Одним из распространенных методов является организация контролируемых задержек, длительность которых зависит от типа возникающего события и структуры тракта передачи информации. Демонстрация работы алгоритма такого типа приведена на фиг. 9. The time synchronization algorithm is an algorithm that allows you to restore the sequence of events that occur in the system. One of the common methods is the organization of controlled delays, the duration of which depends on the type of occurring event and the structure of the information transmission path. A demonstration of the operation of this type of algorithm is shown in FIG. 9.

Одновременные события 1, 2 и 3 имеют различное время запаздывания в тракте обработки, что видно на левой части фиг. 9. Восстановление последовательности событий, приближенной к реальной последовательности, возможно за счет организации задержек 1, 2, 3. Simultaneous events 1, 2, and 3 have different delay times in the processing path, as can be seen on the left side of FIG. 9. The restoration of the sequence of events close to the real sequence is possible due to the organization of delays 1, 2, 3.

Недостатком алгоритмов подобного типа является увеличение общей задержки системы, но в современных условиях производительности систем реального времени на основе микропроцессоров данный недостаток не является существенным в связи с высокой частотой дискретизации.A drawback of this type of algorithm is an increase in the overall system delay, but in modern performance conditions of real-time systems based on microprocessors, this drawback is not significant due to the high sampling rate.

Данные с модуля обработки данных поступают на систему управления роботохирургическим комплексом и передаются в систему управления контроллера хирурга.Data from the data processing module is sent to the control system of the robotic surgical complex and transmitted to the control system of the surgeon's controller.

Хирург удерживает в руках контроллер и, перемещая его, формирует цифровой сигнал, с помощью которого через систему управления роботохиругическим комплексом и манипулятор происходит управление инструментом (Фиг. 1). При соприкосновении инструмента с тканями пациента или троакаром возникают силы, воздействующие на инструмент. Система оценки сил определяет эти силы, преобразует информацию в цифровой сигнал, который через систему управления роботохирургическим комплексом в обратном порядке передается на контроллер хирурга. Контроллер хирурга устроен таким образом, что получает эти сигналы и преобразовывает их в механическое движения контроллера по направлению, противоположному движениям руки хирурга, управляющей инструментом.The surgeon holds the controller in his hands and, moving it, generates a digital signal, with the help of which the instrument is controlled through the robot-complex complex control system and the manipulator (Fig. 1). When the instrument comes into contact with the patient’s tissues or trocar, forces appear that act on the instrument. The force assessment system determines these forces, converts the information into a digital signal, which is transmitted through the control system of the robotic surgical complex in the reverse order to the surgeon's controller. The surgeon's controller is designed in such a way that it receives these signals and converts them into mechanical movements of the controller in the opposite direction to the movements of the surgeon's hand controlling the tool.

Возникающее сопротивление создает на руке ощущение, как если бы она касалась тканей. Интуитивно понятное и совпадающее с движениями руки перемещение инструмента, а также осязание касания инструментом тканей создает у хирурга ощущения, что он во время операции на роботохирургическом комплексе удерживает инструмент непосредственно в руке.The resulting resistance creates a feeling on the hand, as if it was touching the tissues. The movement of the instrument that is intuitive and coincides with the movements of the hand, as well as the tactile touch of the tissue with the instrument, makes the surgeon feel that he is holding the instrument directly in his hand during surgery on a robotic surgical complex.

Дальнейшая реализация приведенных методов и разработанных конструкций позволит достичь следующих технических характеристик для системы оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы:Further implementation of the above methods and developed designs will allow us to achieve the following technical characteristics for the system for evaluating the forces acting on the instrument of a robotic surgical system:

1. Количество степеней свободы оценки усилия – 7: три линейные степени свободы вдоль осей x, y, z, три вращательные степени свободы вокруг осей x, y, z, степень свободы при захвате;1. The number of degrees of freedom of the effort estimation is 7: three linear degrees of freedom along the x, y, z axes, three rotational degrees of freedom around the x, y, z axes, degree of freedom during capture;

2. Частота дискретизации: не менее 250 Гц;2. Sampling frequency: not less than 250 Hz;

3. Тип датчиков для измерения усилий: 3х-осевые тензометрические датчики, датчики потребляемого двигателями тока;3. Type of sensors for measuring forces: 3-axis strain gauge sensors, sensors of current consumed by motors;

4. Возможность работы в условиях помех, создаваемых инструментом с электрокоагуляцией.4. The ability to work in conditions of interference created by an instrument with electrocoagulation.

Проведенное моделирование, проектирование элементов конструкции, разработка принципов работы, принципов и методов обработки и передачи данных позволяют сделать вывод о состоятельности предложенных гипотез, выбранные подходы к разработке были теоретически обоснованы, указаны их достоинства и недостатки. Разработанная конструкция позволит реализовать метод оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы, не обладающий недостатками уже существующих конструкций и позволяющий полностью решить поставленную задачу.The conducted modeling, design of structural elements, development of working principles, principles and methods of data processing and transmission allow us to conclude the validity of the proposed hypotheses, the selected development approaches were theoretically justified, their advantages and disadvantages are indicated. The developed design will make it possible to implement a method for evaluating the forces acting on the instrument of a robotic surgical system, which does not have the drawbacks of existing structures and allows you to completely solve the problem.

Применение системы оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы, позволит качественно проводить операции за счет точных действий хирурга, достоверного определения типа и механических характеристик оперируемой ткани. Это достигается благодаря следующим характеристикам:The use of a system for assessing the forces acting on the instrument of a robotic surgical system will allow for high-quality operations due to the exact actions of the surgeon, reliable determination of the type and mechanical characteristics of the tissue being operated on. This is achieved thanks to the following characteristics:

1. Обеспечение семи степеней свободы при измерении действующих на инструмент сил: трех линейных степеней, трех вращательных и одной степени свободы при захвате;1. Providing seven degrees of freedom when measuring the forces acting on the instrument: three linear degrees, three rotational and one degree of freedom during capture;

2. Использования по меньшей мере двух многоосевых тензометрических датчиков для определения направления и модуля действующих сил;2. The use of at least two multiaxial strain gauge sensors to determine the direction and modulus of the acting forces;

3. Расположения измерительных и прочих электрических цепей, чувствительных к электромагнитным помехам, на удалении от зоны воздействия электрокоагуляции;3. The location of the measuring and other electrical circuits sensitive to electromagnetic interference, away from the zone of exposure to electrocoagulation;

4. Использования дополнительного контура оценки силы движения захвата;4. The use of an additional contour assessment of the strength of the capture motion;

5. Использование внешних, не расположенных непосредственно в инструменте, конструкций для установки измерительных элементов, электрических цепей и механизмов.5. The use of external, not located directly in the tool, structures for the installation of measuring elements, electrical circuits and mechanisms.

6. Прием и передача сигналов/команд в системе управления системы оценки силы может быть реализована проводным или беспроводным способом;6. The reception and transmission of signals / commands in the control system of the force assessment system can be implemented by wire or wireless;

7. Использование цифровой обработки сигналов с целью устранения помех;7. The use of digital signal processing to eliminate interference;

8. Использование модуля цифровой обработки с поддержкой различных алгоритмов обработки измеряемых данных.8. Using a digital processing module with support for various measurement data processing algorithms.

Данная система обеспечивает вклад в роботизированную и/или компьютерную хирургию минимального инвазивного вмешательства, предлагая достоверно точную и дифференцированную по источникам оценку воздействия сил на роботохирургический инструмент в условиях электромагнитного шума, которая бы осуществляла передачу измеренных данных на вышестоящую систему управления роботохирургического комплекса.This system provides a contribution to the robotic and / or computer surgery of minimal invasive intervention, offering a reliable and accurate source-based assessment of the effect of forces on a robotic surgical instrument under electromagnetic noise, which would transmit the measured data to a higher-level control system of the robotic surgical complex.

Пример.Example.

Лабораторные испытания прототипа системы выполнялись из условия оценки погрешности измерения сил в стандартных условиях для роботохирургии. Laboratory tests of the prototype system were carried out from the condition of assessing the error in measuring forces under standard conditions for robotic surgery.

Для испытания возможности оценки сил, действующих на хирургический инструмент роботизированной хирургической системы, приложенных к любой части его конструкции было произведено следующее. To test the possibility of evaluating the forces acting on the surgical instrument of a robotic surgical system applied to any part of its design, the following was performed.

Был собран испытательный стенд с использованием двух 3-осевых тензометрических датчиков, один из которых расположен в точке крепления привода хирургического инструмента, а второй в точке крепления держателя троакара. A test bench was assembled using two 3-axis strain gauge sensors, one of which is located at the attachment point of the surgical instrument drive, and the second at the attachment point of the trocar holder.

К сервоприводу поворота инструмента вокруг продольной оси (вращение вокруг оси z) и сервоприводу, обеспечивающему сжатие исполнительных поверхностей хирургического инструмента, были подключены датчики силы тока для измерения вращательного момента, создаваемого двигателями. В блок привода инструмента был установлен инструмент с заранее известными параметрами длины и жесткости. Расстояние между тензометрическими датчиками было зафиксировано и измерено. Current sensors for measuring the rotational moment created by the motors were connected to a servo-drive for turning the tool around the longitudinal axis (rotation around the z-axis) and a servo-drive for compressing the executive surfaces of the surgical instrument. A tool with pre-known parameters of length and stiffness was installed in the tool drive unit. The distance between the strain gauges was recorded and measured.

Для обеспечения тестового воздействия на испытательный стенд по шести степеням свободы был применен параллельный механизм типа гексапод. Гексапод – это механизм, состоящий из двух площадок – неподвижно закрепленной и подвижной, приводимой в движение при помощи шести независимых прецизионных серводвигателей. Каждый сервопривод оборудован датчиками положения и развиваемого усилия, благодаря чему можно проводить позиционирование по 3-м линейным (X, Y, Z) и трем угловым координатам (вращение вокруг соответствующих осей Ox, Oy, Oz), а также оценивать усилия по каждой из координат. К подвижной платформе гексапода посредством крепежных элементов был присоединен дистальный конец хирургического инструмента. При помощи системы управления гексапода по каждой из степеней свободы производились приращения с фиксированием развиваемого усилия.To provide a test effect on the test bench in six degrees of freedom, a parallel hexapod type mechanism was used. Hexapod is a mechanism consisting of two sites - fixed and movable, driven by six independent precision servomotors. Each servo drive is equipped with position and evolving force sensors, due to which it is possible to carry out positioning along 3 linear (X, Y, Z) and three angular coordinates (rotation around the corresponding axes Ox, Oy, Oz), as well as evaluate the forces on each of the coordinates . The distal end of the surgical instrument was attached to the hexapod moving platform by means of fasteners. Using the hexapod control system, increments were recorded for each degree of freedom with fixation of the developed effort.

Сигналы по пяти степеням получены из показаний тензометрических датчиков. Сигнал о шестой степени свободы – вращение вокруг оси z – из показаний датчика силы тока привода, с использованием коэффициента перевода.Signals for five degrees are obtained from the readings of strain gauges. The signal about the sixth degree of freedom - rotation around the z axis - from the readings of the drive current sensor, using the transfer coefficient.

В результате выполненных испытаний была выявлена возможность оценки сил по шести степеням свободы не хуже, чем 10% процентов от показаний, принятых эталонными.As a result of the tests, the possibility of assessing forces by six degrees of freedom was found to be no worse than 10% of the indications accepted by the reference.

Для измерения усилия сжатия исполнительных поверхностей хирургического инструмента использовалась полая гибкая резиновая трубка малого диаметра от 4 мм до 6 мм. Один конец данной трубки закупорен, а ко второму подключен высокоточный датчик давления. При помощи сервопривода инструмента, обеспечивающего сжатие исполнительных поверхностей инструмента, данная трубка пережималась и фиксировалось создаваемое давление внутри трубки. За счет сравнения показаний датчика силы тока двигателя, обеспечивающего сжатие исполнительных поверхностей, и давления внутри трубки оценивалась возможность измерения силы смыкания (силы сжатия).To measure the compression force of the executive surfaces of the surgical instrument, a hollow flexible rubber tube of small diameter from 4 mm to 6 mm was used. One end of this tube is clogged, and a high-precision pressure sensor is connected to the other. With the help of a servo-drive of the tool, which compresses the executive surfaces of the tool, this tube was clamped and the created pressure inside the tube was fixed. By comparing the readings of the motor current sensor providing compression of the actuating surfaces and the pressure inside the tube, the possibility of measuring the closing force (compression force) was evaluated.

Таким образом, предлагаемая конструкция системы оценки сил позволяет оценить силы, действующие на хирургический инструмент роботизированной хирургической системы, приложенные к любой части его конструкции, оценить силы захвата, возникающие при смыкании браншей хирургического инструмента, однозначно определить численные значения сил и их направления. При этом конструкция самого хирургического инструмента не подвергается при этом никаким изменениям.Thus, the proposed design of the force assessment system makes it possible to evaluate the forces acting on the surgical instrument of the robotic surgical system applied to any part of its design, to evaluate the gripping forces that occur when the surgical instrument jaws are closed, to uniquely determine the numerical values of the forces and their directions. At the same time, the design of the surgical instrument itself does not undergo any changes.

Стандартные условия для роботохирургии включают наличие электромагнитных помех (коагуляция, работа манипуляторов, работа системы управления, работа мобильных телефонов, наличие силовых электрических кабелей и другие). Исследование влияния электромагнитных помех на оценку сил производилось с использованием медицинского электрокоагулятора, широко применяемого при хирургических вмешательствах. Электрокоагуляция является основным источником широкополосных помех, вызываемых возникновением электрических разрядов между обрабатываемой тканью и поверхностью хирургического инструмента. Standard conditions for robotic surgery include the presence of electromagnetic interference (coagulation, the operation of manipulators, the operation of the control system, the operation of mobile phones, the presence of power electric cables and others). The study of the influence of electromagnetic interference on the assessment of forces was carried out using a medical electrocoagulator, widely used in surgical interventions. Electrocoagulation is the main source of broadband interference caused by electrical discharges between the treated tissue and the surface of the surgical instrument.

Исследования влияния помех электрокоагулятора производились за счет записи показаний от двух 3-осевых тензометрических датчиков, при этом указанные датчики системы оценки сил были последовательно расположены в нескольких точках пространства с различным расстоянием от рабочей зоны электрокоагулятора и определенным расстоянием между собой. Также были проведены испытания с изменением выходной мощности электрокоагулятора. Studies of the influence of interference of the electrocoagulator were carried out by recording readings from two 3-axis strain gauge sensors, while the indicated sensors of the force estimation system were sequentially located at several points in space with different distances from the working area of the electrocoagulator and a certain distance between themselves. Tests were also conducted with a change in the output power of the electrocoagulator.

Вторым по распространённости источником помех является бытовая сеть 240В 50 Гц. Исследования влияния бытовой сети проводились за счет последовательного расположения прототипа системы оценки сил в нескольких точках пространства с различным расстоянием от силового провода 240В 50Гц, питающего нагрузку мощностью 500Вт. Выходные сигналы были обработаны алгоритмом Быстрого Преобразования Фурье для построения спектрального представления сигналов для оценки влияния на частоте 50 Гц.The second most common source of interference is the household network 240V 50 Hz. Studies of the influence of the household network were carried out due to the sequential location of the prototype force assessment system at several points in space with different distances from the power wire 240V 50Hz, supplying a load of 500W. The output signals were processed by the Fast Fourier Transform algorithm to construct a spectral representation of the signals to evaluate the effect at a frequency of 50 Hz.

В результате испытаний были выявлены низкое влияние внешних электромагнитных помех, высокое отношение сигнал-шум, высокая точность, что обусловлено конструкцией системы оценки сил и применяемой цифровой обработкой сигналов. Низкое влияние электромагнитных помех и высокое отношение сигнал-шум достигаются за счет расположения тензометрических датчиков путем отдаления их чувствительных элементов от зоны помех электрокоагуляции и использования цифровых методов фильтрации.The tests revealed a low influence of external electromagnetic interference, a high signal-to-noise ratio, and high accuracy, which is due to the design of the force estimation system and the applied digital signal processing. Low influence of electromagnetic interference and a high signal-to-noise ratio are achieved due to the location of strain gauge sensors by moving their sensitive elements away from the interference zone of electrocoagulation and using digital filtering methods.

Таким образом, была доказана возможность бесперебойной работы системы оценки сил в условиях использования электрокоагуляции хирургическим инструментом и устойчивость к электромагнитным помехам от бытовой сети. Применение цифровых методов фильтрации позволяет отсеивать большинство нежелательных помех.Thus, the possibility of uninterrupted operation of the force assessment system under the conditions of using electrocoagulation with a surgical instrument and resistance to electromagnetic interference from a household network were proved. The use of digital filtering methods eliminates most unwanted interference.

Были проведены испытания со следующими исходными данными: номинальная нагрузка для тензодатчиков – 100 Н, коэффициент усиления измерительного тракта -2000, количество разрядов аналогово-цифрового преобразователя – 16 бит, частота дискретизации – 14, 7 кГц, максимальная сила тока для датчика оценки вращательного момента привода оси z, оси сжатия исполнительных поверхностей инструмента – 5 А.Tests were carried out with the following initial data: rated load for strain gauges - 100 N, gain of the measuring path -2000, number of bits of the analog-to-digital converter - 16 bits, sampling frequency - 14, 7 kHz, maximum current for the sensor for evaluating the drive torque the z axis, the compression axis of the executive surfaces of the tool is 5 A.

В результате выполненных испытаний получены следующие результаты: средняя оценка погрешности в 5% от измерительного диапазона, при этом максимальная погрешность при наличии внешних наводок в виде коагуляции и электромагнитных помех с применением цифровых методов обработки составляет до 10%. Уровень погрешности оценки является удовлетворительным для большинства задач в хирургической лапароскопии. Кроме того, достигнутая с помощью прототипа общая задержка сигнала с учетом тракта усиления и модуля приема и передачи данных составляет не более 3 мс, что делает систему широко пригодной для телеуправления.As a result of the tests, the following results were obtained: the average error estimate of 5% of the measuring range, while the maximum error in the presence of external interference in the form of coagulation and electromagnetic interference using digital processing methods is up to 10%. The level of estimation error is satisfactory for most tasks in surgical laparoscopy. In addition, the total signal delay achieved using the prototype, taking into account the amplification path and the data reception and transmission module, is no more than 3 ms, which makes the system widely suitable for telecontrol.

Хотя настоящая патентная заявка относится к определенному в прилагаемой ниже в формуле изобретения изобретению, важно отметить, что настоящая заявка на патент содержит основание для формулировки других изобретений, которые могут, например, быть заявлены как объект уточненной формулы изобретения настоящей заявки или как объект формулы изобретения в выделенной и/или продолжающей заявке. Такой объект может быть охарактеризован любым признаком или комбинацией признаков, описанных в настоящем документе.Although the present patent application relates to the invention defined in the claims below, it is important to note that the present patent application contains the basis for the wording of other inventions that may, for example, be claimed as an object of the amended claims of the present application or as an object of the claims in highlighted and / or continuing application. Such an object may be characterized by any feature or combination of features described herein.

Claims

1. The medical system of minimal invasive intervention, including

a manipulator having a support configured to secure the trocar and to secure the drive of a surgical instrument with minimal invasive intervention,

a system for evaluating the forces acting on an instrument during a surgical operation,

moreover, the power assessment system includes

- a three-axis lower strain gauge located on the support of the manipulator in the place of attachment of the trocar and in direct contact with it, to measure the forces applied to the tool and directed along the x and y axes,

- a three-axis upper strain gauge located on the support of the manipulator under the drive of the surgical instrument, for measuring the force applied to the instrument and directed along the z axis,

- a sensor of the gripping force of the executive surfaces of the tool, made in the form of a current sensor for the electric drive of the tool, providing compression of the Executive surfaces of the tool

- a torque sensor of a surgical instrument, made in the form of a current sensor for an electric drive of the instrument, providing rotation of the surgical instrument around its longitudinal axis,

moreover, the strain gauges are connected to the respective digital data processing modules,

moreover, the gripping force sensor and the torque sensor are connected to the respective motor control systems,

digital processing modules and electric motor control systems are connected to a processing module that is programmed to carry out calculations by group processing and synchronizing signals from strain gauge sensors, a torque sensor and a gripping force sensor:

- forces directed along linear axes,

- rotational moments of the instrument along the x and y axes relative to the point of entry of the trocar into the patient’s body,

- the torque of the tool along the z axis relative to the entry point of the trocar into the patient’s body,

- efforts to compress the Executive surfaces of the tool,

each digital processing module is programmed to use a digital low-pass filter and a band-stop filter algorithm for force data measured by a strain gauge,

and the processing module is programmed to compensate for the gravity acting on the support of the manipulator and the tool, to compensate for the forces caused by the resistance of the trocar to the movement of the tool, and to compensate for the dynamic characteristics of the elements placed on the axis of rotation of the electric motors,

the processing module is configured to transmit data to the control system of the robotic surgical complex.

2. The medical system according to claim 1, characterized in that the digital processing modules and the motor control system are connected to the processing module via a data bus that represents a wired or wireless connection.

3. The medical system according to claim 2, characterized in that the digital processing modules are located near the strain gauge sensors.