RU2757991C2 - Method for automated control of a robotic operational exoscope - Google Patents
Method for automated control of a robotic operational exoscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2757991C2 RU2757991C2 RU2020122230A RU2020122230A RU2757991C2 RU 2757991 C2 RU2757991 C2 RU 2757991C2 RU 2020122230 A RU2020122230 A RU 2020122230A RU 2020122230 A RU2020122230 A RU 2020122230A RU 2757991 C2 RU2757991 C2 RU 2757991C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- surgeon
- exoscope
- signals
- video camera
- head
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Robotics (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Endoscopes (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к области медицинской техники, обеспечивающей информационную поддержку проведения хирургических операций (ассистенция), и может быть использовано для дистанционного управления пространственными параметрами поля зрения операционных экзоскопов.The invention relates to the field of medical technology, providing information support for surgical operations (assistance), and can be used for remote control of the spatial parameters of the field of view of operating exoscopes.
Уровень техникиState of the art
Многие годы стандартным интраоперационным оборудованием для выполнения микрохирургических операций, требующих получения изображений операционного поля под большим увеличением, являлись бинокулярные операционные микроскопы.For many years, binocular operating microscopes have been the standard intraoperative equipment for performing microsurgical operations requiring high magnification imaging of the surgical field.
Особенностью функционирования оптической схемы хирургического микроскопа является тот факт, что, чем больше увеличение и оптическое разрешение, которые использует хирург, тем меньше глубина резкости. В результате при работе на большом увеличении хирургу приходиться постоянно изменять фокусное расстояние оптической системы микроскопа. А при выполнении малоинвазивных и малотравматичных хирургических доступов уменьшение размера трепанационного окна приводит к увеличению количества перемещений микроскопа, и, соответственно, к увеличению времени на настройку фокусировки и общей длительности оперативного вмешательства.A feature of the functioning of the optical scheme of a surgical microscope is the fact that the greater the magnification and optical resolution that the surgeon uses, the shallower the depth of field. As a result, when working at high magnification, the surgeon has to constantly change the focal length of the optical system of the microscope. And when performing minimally invasive and low-traumatic surgical approaches, a decrease in the size of the trepanation window leads to an increase in the number of movements of the microscope, and, accordingly, to an increase in the time to adjust the focus and the total duration of the surgical intervention.
Известен способ управления пространственной ориентацией и фокусным расстоянием оптической системы операционного микроскопа, реализованный в устройстве «Марика» [1]. Способ позволяет хирургу, не прерывая операцию, управлять положением, ориентацией и фокусным расстоянием микроскопа при помощи губ и подбородка.The known method of controlling the spatial orientation and focal length of the optical system of the operating microscope, implemented in the device "Marika" [1]. The method allows the surgeon, without interrupting the operation, to control the position, orientation and focal length of the microscope using the lips and chin.
Недостатком данного способа является то, что работа с микроскопом требует от хирурга постоянного вынужденного, связанного с микроскопом, положения головы и направления взгляда строго в бинокуляры микроскопа, что ведет к низкой эффективности использования времени операции, повышенной утомляемости хирурга и повышению трудоемкости его работы.The disadvantage of this method is that working with a microscope requires the surgeon to have a permanent forced, connected with the microscope, head position and directing his gaze strictly into the binoculars of the microscope, which leads to a low efficiency of using the operation time, increased fatigue of the surgeon and an increase in the labor intensity of his work.
Благодаря последним достижениям в области оптики и цифровой обработки видеосигналов, в хирургии все более широкое распространение получают такие визуализационные системы ассистенции при хирургических операциях, как экзоскопы. В отличие от операционного микроскопа, экзоскоп имеет значительно меньшие размеры и закрепляется на расстоянии 25-75 см над операционным полем, что предоставляет хирургу большое пространство для работы, а увеличенное изображение, полученное видеосистемой экзоскопа, выводится на монитор. Также здесь отсутствует требование вынужденного положения головы, привязанное к ракурсу наблюдения и к расстоянию от головы до операционного поля. Однако, известные операционные экзоскопы также унаследовали недостатки операционных микроскопов, связанные с низкой эффективностью использования времени операции и повышенной трудоемкостью работы хирурга.With the latest advances in optics and digital video signal processing, surgical imaging systems such as exoscopes are becoming more common in surgery. In contrast to the operating microscope, the exoscope is much smaller and is fixed at a distance of 25-75 cm above the operating field, which provides the surgeon with a large space for work, and the enlarged image obtained by the exoscope video system is displayed on the monitor. Also, there is no requirement for a forced position of the head, tied to the observation angle and to the distance from the head to the surgical field. However, the known operating exoscopes have also inherited the disadvantages of operating microscopes associated with low efficiency in the use of operating time and increased labor intensity of the surgeon.
Известен способ визуализации операционного поля, реализованный в экзоскопической хирургической системе [2]. Устройство содержит систему линз для наблюдения поля хирургического объекта, систему подсветки объекта и систему валов и кронштейнов для ручного управления экзоскопом.The known method of visualization of the operating field, implemented in an exoscopic surgical system [2]. The device contains a lens system for observing the field of a surgical object, an object illumination system and a system of shafts and brackets for manual control of the exoscope.
Управление экзоскопом производится хирургом вручную, то есть хирург вынужден прерывать операцию, чтобы перенести кисть руки или кисти обеих рук на рукоятку или рукоятки управления экзоскопом. В соответствии с данным способом хирург, или ассистент хирурга, останавливает операцию, удаляет свои руки с инструментом от рабочей области операции, высвобождает свои руки от инструментов, вручную снимает корпус визуализатора, т.е. видеокамеры (ВК), формирующей поле зрения наблюдения, с механических фиксаторов, наблюдает изображение с ВК на экране монитора, поочередно вручную перемещает корпус ВК относительно степеней свободы механического подвеса (штатива), по результатам визуального анализа изображения выбирает устраивающее его положение ВК во всем пространстве рабочей области наблюдения, механически фиксирует все степени свободы механического подвеса, берет в свои руки инструмент и вновь вводит их в рабочую область операции. Таким образом, значительное количество этапов операции при использовании данного устройства выполняется вручную.The exoscope is controlled by the surgeon manually, that is, the surgeon is forced to interrupt the operation in order to transfer the hand or hands of both hands to the handle or control handles of the exoscope. In accordance with this method, the surgeon, or the surgeon's assistant, stops the operation, removes his hands with the instrument from the working area of the operation, frees his hands from the instruments, manually removes the visualizer body, i.e. a video camera (VC), which forms the observation field of view, from mechanical clamps, observes the image from the VC on the monitor screen, manually moves the VC body in turn relative to the degrees of freedom of the mechanical suspension (tripod), based on the results of visual analysis of the image, selects the VC position that suits it in the entire working space the observation area, mechanically fixes all the degrees of freedom of the mechanical suspension, takes the instrument in his hands and re-introduces them into the working area of the operation. Thus, a significant number of stages of the operation when using this device is performed manually.
Недостатками данного способа являются низкая эффективность использования времени операции и повышенная трудоемкость работы хирурга.The disadvantages of this method are the low efficiency of using the operation time and the increased complexity of the surgeon's work.
Известен способ дистанционного управления камерой эндоскопа [3], в соответствии с которым команды на изменение пространственного положения головки цифровой камеры эндоскопа и осветительным модулем формируются с помощью ножных педалей. Способ дистанционного управления при помощи ножной педали включает в себя следующие технологические операции:The known method of remote control of the endoscope camera [3], according to which commands to change the spatial position of the head of the digital endoscope camera and the lighting module are generated using foot pedals. The method of remote control using a foot pedal includes the following technological operations:
- перемещение корпуса камеры и головки камеры влево и вправо;- moving the camera body and camera head to the left and right;
- перемещение корпуса камеры вверх и вниз;- moving the camera body up and down;
- изменение фокусного расстояния;- change of focal length;
- регулирование интенсивности света.- regulation of light intensity.
Недостатком описанного способа управления является повышенная трудоемкость работы оперирующего хирурга в силу необходимость его отвлечения на проведение операций управления с помощью ног.The disadvantage of the described control method is the increased complexity of the operating surgeon's work due to the need to distract him to carry out control operations using the legs.
Известен способ дистанционного управления медицинским экзоскопом, реализуемый устройством, одеваемого на палец или кисть, раскрытый в системе дистанционного управления [4].There is a known method of remote control of a medical exoscope, implemented by a device worn on a finger or a hand, disclosed in a remote control system [4].
Система дистанционного управления, состоит из навигационного оборудования, роботизированной руки, визуализационной системы с камерой и блока ее управления.The remote control system consists of navigation equipment, a robotic arm, a visualization system with a camera and its control unit.
Видеокамера экзоскопа, закрепленная на дистальном звене манипулятора, все звенья которого вращаются с помощью приводов, управляемых в замкнутом контуре по сигналам рассогласования между задающими воздействиями и сигналами пространственного положения экзоскопа с навигационного оборудования. Задающие воздействия формируются с помощью устройства, одеваемого на палец хирурга или кисть его руки.Exoscope video camera, fixed on the distal link of the manipulator, all links of which rotate with the help of drives controlled in a closed loop according to the mismatch signals between the reference influences and the signals of the spatial position of the exoscope from the navigation equipment. Specifying influences are formed with the help of a device worn on the surgeon's finger or on the hand of his hand.
Такое построение данной системы дистанционного управления требует от хирурга, при формировании задающих воздействий на замкнутый контур, изменений положения пальцев для включения соответствующих переключателей во время выполнения оперативного вмешательства. Однако пальцы оперирующего хирурга всегда заняты хирургическими инструментами. В результате использование данной системы при занятости пальцев дополнительными управленческими движениями снижает точность хирургических манипуляций и понижает качество хирургической и особенно микрохирургической техники, где даже низкоамплитудные неверные движения недопустимы.Such a construction of this remote control system requires the surgeon to change the position of the fingers in order to turn on the corresponding switches during the execution of the surgical intervention when forming the control actions on the closed loop. However, the fingers of the operating surgeon are always occupied with surgical instruments. As a result, the use of this system when the fingers are occupied with additional control movements reduces the accuracy of surgical manipulations and lowers the quality of surgical and especially microsurgical techniques, where even low-amplitude incorrect movements are unacceptable.
Недостатками данного способа являются повышенная трудоемкость работы хирурга и снижение качества хирургической техники.The disadvantages of this method are the increased labor intensity of the surgeon and a decrease in the quality of the surgical technique.
Известен способ ассистенции при выполнении хирургической операции с помощью медицинской навигационный системы, состоящей из локационного измерителя пространственных координат порта доступа и пространственных координат устройства формирования изображения, вычислительного устройства, педали или джойстика, формирующих задающие воздействия, и многозвенного манипулятора с приводами по числу степеней свободы [5] - прототип.The known method of assistance in performing a surgical operation using a medical navigation system, consisting of a locating meter of the spatial coordinates of the access port and the spatial coordinates of the imaging device, computing device, pedal or joystick that form the setting action, and a multi-link manipulator with drives according to the number of degrees of freedom [5 ] - prototype.
В соответствии с этим способом осуществляют формирование задающего воздействия за счет ручного перемещения порта доступа или за счет механического нажатия педали или механического перемещения движка джойстика, или голосовых команд; отслеживание задающих воздействий за счет угловых перемещений звеньев манипулятора при формировании единичной обратной связи по измерениям пространственных координат устройства формирования изображения (в том числе, видеокамеры - ВК); формирование сигнала на начало отслеживания при превышении ошибкой слежения порогового значения ошибки слежения в течении определенного, заранее заданного, промежутка времени; формирование изображения зоны хирургического интереса на экран с помощью видеосигнала, генерируемого устройством формирования изображения; формирование информации о пространственных координатах устройства формирования изображения по локальным координатам положения звеньев манипулятора друг относительно друга; автоматическое изменение фокусного расстояния оптической схемы устройства формирования изображения после его пространственного перемещения, изменяющего расстояние между ним и зоной хирургического интереса.In accordance with this method, the setting action is generated by manually moving the access port or by mechanically pressing the pedal or mechanically moving the joystick slider, or by voice commands; tracking of reference actions due to angular displacements of the manipulator links during the formation of a single feedback on the measurements of the spatial coordinates of the image forming device (including a video camera - VC); generating a signal at the start of tracking when the tracking error exceeds the tracking error threshold within a certain predetermined period of time; forming an image of the area of surgical interest on the screen using a video signal generated by the imaging device; generating information about the spatial coordinates of the image forming device according to the local coordinates of the position of the links of the manipulator relative to each other; automatic change of the focal length of the optical circuit of the imaging device after its spatial movement, changing the distance between it and the area of surgical interest.
Недостатками данного способа являются низкая эффективность использование времени операции и повышенная трудоемкость работы хирурга.The disadvantages of this method are the low efficiency of the use of the operation time and the increased complexity of the surgeon's work.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Цель изобретения - повышение эффективности использования времени операции, снижения трудоемкости работы хирурга за счет уменьшения объема вспомогательных обеспечивающих технологических операций и повышения качества проводимых хирургических операций.The purpose of the invention is to improve the efficiency of using the operation time, reduce the labor intensity of the surgeon by reducing the volume of auxiliary supporting technological operations and improving the quality of surgical operations.
Поставленная цель достигается тем, что входные управляющие воздействия на замкнутую систему объединения следящих приводов (внутренний контур) формируют во внешнем контуре, замкнутой через хирурга двухконтурной системы автоматизированного управления процессами наблюдения с помощью роботизированного операционного экзоскопа, для чего измеряют координаты пространственного положения головы хирурга, наблюдающего за изображением зоны хирургической операции на экране монитора, как однократно в исходном состоянии, так и в текущем времени проведения хирургической операции, формируют сигналы, дополняющие измерения положения головы хирурга в исходном состоянии до сигналов, соответствующих текущему пространственному положению головы хирурга, преобразуют сигналы дополнения в сигналы, пропорциональные координатам требуемого пространственного положения видеокамеры экзоскопа, формируют входные управляющие воздействия для локальных следящих приводов перемещения звеньев манипулятора в соответствии с преобразованными сигналами дополнения до сигналов, соответствующих требуемому пространственному положению видеокамеры экзоскопа.This goal is achieved by the fact that the input control actions on the closed system for combining servo drives (internal circuit) are formed in the external circuit, closed through the surgeon, a two-circuit system for automated control of observation processes using a robotic operating exoscope, for which the coordinates of the spatial position of the head of the surgeon observing by depicting the surgical operation zone on the monitor screen, both once in the initial state and at the current time of the surgical operation, signals are generated that supplement the measurements of the position of the surgeon's head in the initial state to signals corresponding to the current spatial position of the surgeon's head, and the complement signals are converted into signals, proportional to the coordinates of the required spatial position of the exoscope video camera, form the input control actions for the local servo drives for the movement of the manipulator links in accordance with the pre taken signals of complement to the signals corresponding to the required spatial position of the exoscope video camera.
Снижение трудоемкости работы хирурга и увеличение эффективности использования времени операции достигается тем, что установка пространственного положения и ориентации ВК производится под управлением движений головы хирурга, который рассматривает изображение зоны хирургической операции на мониторе, и выбирает необходимые и удобные для проведения операции пространственные и оптические параметры изображения так, как если бы хирург оптически наблюдал зону хирургической операции непосредственно прямым взглядом. При этом такой «виртуальный взгляд» может быть в любой точке полусферы над реальной зоной хирургической операции, в то время как голова хирурга, в основном, смотрит перпендикулярно на экран монитора, совершая небольшие, ограниченные размером самой зоны операции, угловые и поступательные движения. Для этого используются технические решения, которые реализуют виртуальное оптическое подобие между полем зрения (ПЗ) взгляда хирурга (по отношению к экрану монитора) и ПЗ ВК (по отношению к реальной зоне хирургической операции).Reducing the complexity of the surgeon's work and increasing the efficiency of using the operation time is achieved by the fact that the spatial position and orientation of the VC is controlled by the movements of the surgeon's head, who examines the image of the surgical operation zone on the monitor, and selects the necessary and convenient spatial and optical image parameters for the operation as follows. as if the surgeon was looking directly at the surgical site optically. At the same time, such a "virtual look" can be at any point of the hemisphere above the real area of the surgical operation, while the surgeon's head mainly looks perpendicularly at the monitor screen, making small angular and translational movements limited by the size of the operation area itself. For this, technical solutions are used that implement a virtual optical similarity between the field of view (FOV) of the surgeon's gaze (in relation to the monitor screen) and FV VK (in relation to the real area of the surgical operation).
Принцип повышения эффективности автоматизации процессов управляемого наблюдения хирургом за зоной хирургической операции при минимальном отвлечении внимания хирурга и частей его тела (за исключением головы) заключается в следующем.The principle of increasing the efficiency of automation of the processes of controlled observation by the surgeon over the area of the surgical operation with minimal distraction of the attention of the surgeon and parts of his body (except for the head) is as follows.
В процессе выполнения операции руки хирурга заняты инструментами, размещенными в зоне хирургической операции (ЗХО), и поэтому они должны быть избавлены ото всех обеспечивающих функций, напрямую не связанных с процессом хирургического вмешательства. Следовательно, необходимо создать замкнутый следящий контур, который бы взял на себя функции управления пространственным положением и ориентацией (ППО) ВК экзоскопа без участия частей тела (за исключением головы) хирурга. Данный принцип автоматизированного управления демонстрируется на фиг. 1.In the process of performing the operation, the surgeon's hands are occupied with instruments placed in the surgical operation zone (SZO), and therefore they must be relieved of all supporting functions that are not directly related to the process of surgical intervention. Therefore, it is necessary to create a closed tracking loop that would take over the functions of controlling the spatial position and orientation (APO) of the VC exoscope without the participation of body parts (except for the head) of the surgeon. This automated control principle is illustrated in FIG. 1.
Для всеобъемлющего решения поставленной задачи было бы необходимо связать параметры ППО ВК с угловым положением зрачков глаз хирурга, как это реализуется, например, в нашлемной системе целеуказания и индикации летчика. Но габаритно-массовые размеры таких шлемов на современном уровне развития этой техники неприемлемо затрудняют хирургу проведение операции.For a comprehensive solution to the problem, it would be necessary to relate the parameters of the VK PPO with the angular position of the surgeon's pupils, as is implemented, for example, in the helmet-mounted target designation and pilot display system. But the overall dimensions of such helmets at the current level of development of this technique unacceptably complicate the surgeon's operation.
Поэтому в данном техническом решении зрачки глаз заменены на участок головы хирурга, в котором размещаются датчики измерения ППО этого участка головы, может быть, в максимальной близости к глазным впадинам. Естественно, реальные движения зрачков глаз хирурга, могли бы вносить определенные искажения, но они минимизируются за счет относительно больших расстояний от глаз хирурга до экрана монитора.Therefore, in this technical solution, the pupils of the eyes are replaced with a section of the surgeon's head, in which the sensors for measuring the APR of this section of the head are located, perhaps in the maximum proximity to the eye sockets. Naturally, the real movements of the surgeon's pupils could introduce certain distortions, but they are minimized due to the relatively large distances from the surgeon's eyes to the monitor screen.
При таком техническом решении необходимо учитывать не просто ППО глаз и ВК, но и особенности формирования оптических параметров двух различных систем наблюдения: «глаза хирурга - экран монитора» и «ВК - реальная ЗХО». Такой полный учет ведет к значительному усложнению устройства, реализующего данный способ, поэтому в качестве частной реализации способа будем рассматривать устройство автоматизированного управления ППО с упрощенными (редуцированными) блоками выполнения операций данного способа.With such a technical solution, it is necessary to take into account not only the PPO of the eyes and VC, but also the peculiarities of the formation of the optical parameters of two different observation systems: "the surgeon's eyes - the monitor screen" and "VC - real CCO". Such a complete accounting leads to a significant complication of the device that implements this method, therefore, as a particular implementation of the method, we will consider an automated control device for the application software with simplified (reduced) blocks for performing the operations of this method.
Поясним идеологию автоматизации процессов наблюдения с привлечением блок-схемы, показанной на фиг. 2Let us explain the ideology of automation of observation processes using the block diagram shown in Fig. 2
Хирург I, рассматривая изображение 105 на мониторе 3, сформированное ВК 13, вращательными движениями головы, а также поступательными ее движениями в ортогональных направлениях горизонтальной плоскости, добивается желаемого «ракурса» изображения 100, т.е., по сути, он реализует функции дискриминатора 1 замкнутого автоматизированного контура (внешнего). Выбор желаемого ракурса приводит к конкретному ППО головы хирурга 110 с некоторым запаздыванием 115 от принятия им решения до движения его головы (учитываются блоком 2 динамики движения головы). При этом вместе с головой совершают пространственные движения жестко прикрепленные к ней датчики 4 углов вращения головы ( и ) и ее поступательного перемещения ( и ). Размещение датчиков ориентации и датчиков поступательного перемещения показано на упрощенной схеме движения головы на фиг. 3.Surgeon I, examining the
Упрощение конкретной биомеханической модели 5 заключается в принятой в данном устройстве, реализующем предлагаемый способ, гипотезе: голова вращается вокруг стационарной по отношению к голове точки Ог, которая может совершать только строго горизонтальные поступательные движения вдоль осей ОгХг и ОгZг. Следовательно, вершина радиус-вектора (собственно датчик ориентации, положение которого условно показано на этой схеме, не совпадающей с точкой размещения глазных впадин) в процессе трех поворотов переходит из положения в положение затем в результате двух поступательных движений - в положение Такое смещения радиус-вектора показано на фиг. 4.Simplification of a specific
При этом необходимо отметить, что расстояние от глаз хирурга до экрана монитора обозначаемое естественно, не равняется расстоянию Rвк от ВК до ЗО, поэтому в самом общем случае переход от перемещения головы хирурга к необходимому перемещению ВК должен производиться в виде нелинейного преобразования. Но, для рассматриваемого частного случая примем упрощающую гипотезу, что ВК в пространстве полностью повторит поступательный путь (с учетом поправочного коэффициента ), пройденный в том же пространстве глазом хирурга, т.е. радиус-вектор переместится из положения через положение окончания вращательного движения головы в конечное положение It should be noted that the distance from the surgeon's eyes to the monitor screen is indicated by naturally, it is not equal to the distance R vk from the VC to the ZO, therefore, in the most general case, the transition from the movement of the surgeon's head to the necessary movement of the VC should be made in the form of a nonlinear transformation. But, for the particular case under consideration, we accept the simplifying hypothesis that the VC in space will completely repeat the forward path (taking into account the correction factor ), traversed in the same space by the surgeon's eye, i.e. radius vector will move out of position through the position of the end of the rotational movement of the head to the final position
В этом случае, преобразуя измеренный сигнал ППО 120 «виртуального глаза» (места расположения на голове датчика углов ориентации) в блоке 5 имитации движения головы хирурга, получаем сигнал 125 пространственного положения «виртуального глаза». Этот сигнал, в свою очередь, преобразуется в блоке 6 согласования ПЗ «виртуального глаза» хирурга и ПЗ ВК, что позволяет определить сигнал 130 требуемого ППО ВК.In this case, converting the measured signal of the "virtual eye" PSO 120 (the location on the head of the orientation angle sensor) in the
Если рассмотреть схему рабочей зоны наблюдения (РЗН), которая показана на фиг. 5, то можно сделать вывод, что в случае необходимости перемещения ВК на достаточно далеко отстоящие друг от друга подобласти РЗН (например из подобласти Dн в подобласть Dк) хирург будет вынужден совершать вращательные движения головой с большой амплитудой (размахом). Такая ситуация приводит к тому, что из поля зрения взгляда хирурга уйдет экран монитора.If we consider the diagram of the working observation area (RZN), which is shown in Fig. 5, then it can be concluded that if it is necessary to move the VC to sufficiently far apart RZN sub-regions (for example, from the D n sub-region to the D k sub-region ), the surgeon will have to perform rotational movements of his head with a large amplitude (span). This situation leads to the fact that the monitor screen will leave the field of view of the surgeon.
Чтобы преодолеть такой недостаток в данном способе предусмотрен второй режим управления ППО ВК. В этом режиме хирург совершает не совместные, а поочередные вращательные движения головы вокруг трех осей, с каждой из которых связан один из трех параметров ППО ВК. Когда амплитуда 135 этого движения головы превышает заранее заданный порог в блоке 7 формируется сигнал 140, приводящий к изменению управляемого в этом случае параметра ППО ВК с постоянной скоростью (перемещение в пространстве), в то время как хирург получает возможность вернуть голову в исходное положение для спокойного наблюдения за изменением изображения зоны хирургической операции. Если ППО ВК устраивает хирурга, он совершает вращательное движение головой вокруг той же оси, но в другую сторону, и когда амплитуда 135 этого движения головы превышает заранее заданный порог (с противоположным знаком) в блоке 7 формируется сигнал 140, останавливающий ВК в ППО в момент времени этого превышения.To overcome such a disadvantage, this method provides a second control mode for the VK PPO. In this mode, the surgeon performs not joint, but alternate rotational movements of the head around three axes, each of which is associated with one of the three parameters of the VK PPO. When the
Выбор необходимого режима осуществляется хирургом за счет изменения состояния переключающего элемента 8, выходной сигнал которого 150 может быть равен или сигналу 130, или сигналу 140, или сигналу 145.The choice of the required mode is carried out by the surgeon by changing the state of the switching element 8, the output signal of which 150 can be equal to either signal 130, or signal 140, or signal 145.
ВК занимает исходное положение для выполнения первого режима функционирования роботизированного экзоскопа - отслеживания движений головы хирурга.The VC takes the starting position for performing the first mode of functioning of the robotic exoscope - tracking the movements of the surgeon's head.
В зависимости от конкретной кинематической схемы манипулятора (механический подвес ВК) в блоке 9 формируется сигналы 155 пропорциональные требуемым значениям углов поворота по каждой из степеней свободы этого подвеса.Depending on the specific kinematic scheme of the manipulator (mechanical suspension VK), block 9 generates
Сигналы 155 является управляющим воздействием на внутренний замкнутый контур III, сигнал 165 рассогласования которого формируется за счет вычитания из сигнала 155 сигнала 160 ППО ВК, за счет его измерения системой датчиков 12, размещенных на звеньях манипулятора с помощью связей 180. Блок 10 формирует структуру взаимного соединения локальных приводов 11 многозвенного манипулятора, в результате чего на каждый из локальных приводов подаются соответствующие сигналы 170 управления. Эти привода, формируя управляющие механические моменты 175, перемещают ВК 13 экзоскопа в требуемое положение. С помощью видеосигнала 185 изображение ЗХО транслируется на монитор 3.
Устройство управления полем зрения ВК экзоскопа в процессе операции представляет собой с точки зрения процессов управления следящую систему (СС), обобщенная структурная схема которой показана на фиг. 6.The control device for the field of view of the VC exoscope during the operation is, from the point of view of control processes, a servo system (SS), the generalized block diagram of which is shown in Fig. 6.
Замыкание единичной отрицательной обратной связью в данной СС (внешний контур) производится самим хирургом за счет сравнения реального положения ВК по наблюдаемому на мониторе изображению и по желаемому изображению, формируемому хирургом, исходя из его профессиональных компетенций.Closing with a single negative feedback in this SS (outer contour) is performed by the surgeon himself by comparing the real position of the VC according to the image observed on the monitor and according to the desired image formed by the surgeon, based on his professional competence.
В данном устройстве, реализующим заявляемый способ объектом управления (ОУ) является многозвенный манипулятор со своей, присущей только ему конкретной кинематической схемой, в данном случае манипулятор с 5-ю степенями свободыIn this device, which implements the inventive method, the object of control (OU) is a multi-link manipulator with its own specific kinematic scheme inherent only to it, in this case a manipulator with 5 degrees of freedom
Исполнительный орган (ИО) - это набор из пяти электромеханических приводов на основе шаговых двигателей.The executive body (IO) is a set of five electromechanical drives based on stepper motors.
Регулятор формирует аппаратурный состав устройства управления, связи между элементами (структура) устройства, режимы и сценарии реализации этих режимов.The regulator forms the hardware composition of the control device, connections between the elements (structure) of the device, modes and scenarios for the implementation of these modes.
В предлагаемом техническом решении дискриминатор, регулятор, ИО и ОУ объединяются в целостную систему, с качествами присущей именно такому составу элементов и связей, которую принято называть объединением следящих приводов (ОСП).In the proposed technical solution, the discriminator, the regulator, the IO and the OA are combined into an integral system, with the qualities inherent in just such a composition of elements and connections, which is commonly called a combination of servo drives (OSP).
Реализация установки полезной нагрузки (ВК) многозвенного манипулятора в заданную точку РЗН с требуемым ППО ВК по данному способу осуществляется с помощью объединения четырех следящих приводов (Привод I, Привод II, Привод III и Привод IV), которые с точки зрения операции заявляемого способа технически представляют собой единую сложную техническую систему управления - ОСП, структурная схема которого показана на фиг. 7.The implementation of the installation of the payload (VK) of the multi-link manipulator at a given point of the RZN with the required PPO VK according to this method is carried out by combining four servo drives (Drive I, Drive II, Drive III and Drive IV), which, from the point of view of the operation of the proposed method, technically represent is a unified complex technical control system - OSB, the structural diagram of which is shown in Fig. 7.
Привод V реализует следующую функцию.The V drive implements the following function.
Так как объект наблюдения расположен в горизонтальной плоскости, при вращении вокруг вертикальной оси происходит поворот изображения, наблюдаемый на экране монитора. С помощью привода V осуществляется вращение ВК вокруг своей оптической оси на угол, равный углу поворота манипулятора вокруг вертикальной оси.Since the object of observation is located in the horizontal plane, when rotating around the vertical axis, the image rotates, which is observed on the monitor screen. With the help of the V drive, the VC is rotated around its optical axis by an angle equal to the angle of rotation of the manipulator around the vertical axis.
На фиг. 7 детализирован внутренний контур автоматизированной системы управления роботизированным операционным экзоскопом (структурная схема автоматизированного устройства, реализующего данный способ).FIG. 7 details the inner contour of the automated control system for a robotic operating exoscope (block diagram of an automated device that implements this method).
На фиг. 7 показаны локальные замкнутые контура, входящие в состав ОСП:FIG. 7 shows the local closed contours that are part of the OSB:
I-1, II-1, III-1, IV-1 и V-1 - регуляторы пяти локальных следящих приводов (СП);I-1, II-1, III-1, IV-1 and V-1 - regulators of five local servo drives (SP);
I-2, II-2, III-2, IV-2 и V-2 - исполнительные двигатели пяти локальных СП;I-2, II-2, III-2, IV-2 and V-2 - executive motors of five local joint ventures;
II-3, III-3 и IV-3 - датчики наклона трех локальных СП;II-3, III-3 and IV-3 - tilt sensors of three local SP;
I-3 и V-3 - датчики угла поворота двух локальных СП;I-3 and V-3 - sensors of the angle of rotation of two local joint ventures;
I-4, II-4, III-4, IV-4 и V-4 - цифровые блоки обработки сигналов измерений;I-4, II-4, III-4, IV-4 and V-4 - digital blocks for processing measurement signals;
Остальные обозначения соответствуют обозначениям, приведенным на фиг. 2.The rest of the designations correspond to those shown in FIG. 2.
Блоки 3, 4, 5 и 6 являются регулятором внешнего замкнутого контура.
Отрицательная обратная связь внутреннего контура, т.е. ОСП, формируется с помощью датчика IV-3, цифрового блока обработки сигналов измерений IV-4, формирующего сигнал измерения углового положения ВК ϕвк. На базовый Привод IV подаются управляющее входное воздействие ϕупр.вк, в результате формируется сиг εвн.конт нал рассогласования внутреннего контура автоматизированной системы управления роботизированным операционным экзоскопом.Negative feedback of the inner loop, i.e. SIR is formed by a sensor IV-3, the
На фиг. 8 представлена общая схема проведения операции хирургом в соответствии с предлагаемым способом.FIG. 8 shows the general scheme of the operation by the surgeon in accordance with the proposed method.
ЧертежиBlueprints
На фиг. 1 показан принцип автоматизированного управления экзоскопом.FIG. 1 shows the principle of automated control of an exoscope.
На фиг. 2 показана идеологию автоматизации процессов наблюдения с привлечением блок-схемы.FIG. 2 shows the ideology of automation of observation processes using a block diagram.
На фиг. 3 показано размещение датчиков ориентации и датчиков поступательного перемещения на упрощенной схеме движения головы.FIG. 3 shows the placement of orientation sensors and translational movement sensors on a simplified head movement diagram.
На фиг. 4 показано смещения радиус-вектора FIG. 4 shows the offsets of the radius vector
На фиг. 5 показана схема рабочей зоны наблюдения.FIG. 5 shows a diagram of the working area of observation.
На фиг. 6 показана обобщенная структурная схема следящей системы управления полем зрения ВК экзоскопа.FIG. 6 shows a generalized block diagram of the servo control system for the field of view of the VC exoscope.
На фиг. 7 показаны локальные замкнутые контуры, входящие в состав объединения следящих приводов.FIG. 7 shows the local closed loops that are part of the servo drive combination.
На фиг. 8 представлена общая схема проведения операции хирургом в соответствии с предлагаемым способом.FIG. 8 shows the general scheme of the operation by the surgeon in accordance with the proposed method.
Источники информацииSources of information
1. Патент RU 2331383, опубл. 20.08.2008.1. Patent RU 2331383, publ. 08/20/2008.
2. Патент ЕР 2514357 А1, опубл. 24.10.2012.2. Patent EP 2514357 A1, publ. 24.10.2012.
3. Патент US 5,762,603, опубл. 9.06.1998.3. Patent US 5,762,603, publ. 9.06.1998.
4. Патент US 2017/0239010 А1, опуб. 13.01.20174. Patent US 2017/0239010 A1, publ. 13.01.2017
5. Патент US 10588699 В2, опубл. 17.03.2020.5. Patent US 10588699 B2, publ. 03/17/2020.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020122230A RU2757991C2 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Method for automated control of a robotic operational exoscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020122230A RU2757991C2 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Method for automated control of a robotic operational exoscope |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020122230A RU2020122230A (en) | 2021-01-29 |
RU2020122230A3 RU2020122230A3 (en) | 2021-05-12 |
RU2757991C2 true RU2757991C2 (en) | 2021-10-25 |
Family
ID=74550843
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020122230A RU2757991C2 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Method for automated control of a robotic operational exoscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2757991C2 (en) |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2434600C2 (en) * | 2006-03-31 | 2011-11-27 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Surgical system controlled by images |
RU2621488C2 (en) * | 2013-02-14 | 2017-06-06 | Сейко Эпсон Корпорейшн | Display fixed on head and method of controlling display fixed on head |
CN107440748A (en) * | 2017-07-21 | 2017-12-08 | 西安交通大学医学院第附属医院 | A kind of intelligent automatic tracking cavity mirror system of operating field |
CN107468337A (en) * | 2017-08-03 | 2017-12-15 | 苏州医视医疗科技有限公司 | Surgical navigational platform based on intelligent glasses |
US20190223968A1 (en) * | 2014-03-19 | 2019-07-25 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Medical devices, systems, and methods using eye gaze tracking |
US20190238822A1 (en) * | 2018-01-31 | 2019-08-01 | Synaptive Medical (Barbados) Inc. | System for three-dimensional visualization |
US20190290370A1 (en) * | 2018-03-22 | 2019-09-26 | MedTech S. A. | Optical camera positioning tool |
RU2707369C1 (en) * | 2019-02-27 | 2019-11-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Method for preparing and performing a surgical operation using augmented reality and a complex of equipment for its implementation |
US10588699B2 (en) * | 2013-03-15 | 2020-03-17 | Synaptive Medical (Barbados) Inc. | Intelligent positioning system and methods therefore |
RU2721461C1 (en) * | 2020-02-25 | 2020-05-19 | Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд | Method of controlling a camera in a robot-surgical system |
-
2020
- 2020-07-06 RU RU2020122230A patent/RU2757991C2/en active
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2434600C2 (en) * | 2006-03-31 | 2011-11-27 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Surgical system controlled by images |
RU2621488C2 (en) * | 2013-02-14 | 2017-06-06 | Сейко Эпсон Корпорейшн | Display fixed on head and method of controlling display fixed on head |
US10588699B2 (en) * | 2013-03-15 | 2020-03-17 | Synaptive Medical (Barbados) Inc. | Intelligent positioning system and methods therefore |
US20190223968A1 (en) * | 2014-03-19 | 2019-07-25 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Medical devices, systems, and methods using eye gaze tracking |
CN107440748A (en) * | 2017-07-21 | 2017-12-08 | 西安交通大学医学院第附属医院 | A kind of intelligent automatic tracking cavity mirror system of operating field |
CN107468337A (en) * | 2017-08-03 | 2017-12-15 | 苏州医视医疗科技有限公司 | Surgical navigational platform based on intelligent glasses |
US20190238822A1 (en) * | 2018-01-31 | 2019-08-01 | Synaptive Medical (Barbados) Inc. | System for three-dimensional visualization |
US20190290370A1 (en) * | 2018-03-22 | 2019-09-26 | MedTech S. A. | Optical camera positioning tool |
RU2707369C1 (en) * | 2019-02-27 | 2019-11-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Method for preparing and performing a surgical operation using augmented reality and a complex of equipment for its implementation |
RU2721461C1 (en) * | 2020-02-25 | 2020-05-19 | Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд | Method of controlling a camera in a robot-surgical system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2020122230A (en) | 2021-01-29 |
RU2020122230A3 (en) | 2021-05-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7003985B2 (en) | Medical support arm system and control device | |
US11336804B2 (en) | Stereoscopic visualization camera and integrated robotics platform | |
CN110200702B (en) | Medical device, system and method for a stereoscopic viewer with integrated eye gaze tracking | |
WO2018216382A1 (en) | Medical system, control device for medical support arm, and control method for medical support arm | |
US20060100642A1 (en) | Control of robotic manipulation | |
TW201945141A (en) | Stereoscopic visualization camera and integrated robotics platform | |
JP7115493B2 (en) | Surgical arm system and surgical arm control system | |
Yu et al. | Calibration and integration of b-mode optical coherence tomography for assistive control in robotic microsurgery | |
WO2021124716A1 (en) | Method, apparatus and system for controlling an image capture device during surgery | |
JP2020156800A (en) | Medical arm system, control device and control method | |
Noonan et al. | Gaze contingent articulated robot control for robot assisted minimally invasive surgery | |
CN110169821B (en) | Image processing method, device and system | |
JPWO2020080209A1 (en) | Medical observation system, medical observation device and medical observation method | |
WO2022019318A2 (en) | Medical arm control system, medical arm control method, medical arm simulator, medical arm learning model, and associated programs | |
US20220272272A1 (en) | System and method for autofocusing of a camera assembly of a surgical robotic system | |
US20230142404A1 (en) | Medical imaging apparatus, learning model generation method, and learning model generation program | |
RU2757991C2 (en) | Method for automated control of a robotic operational exoscope | |
WO2021125056A1 (en) | Method, apparatus and system for controlling an image capture device during surgery | |
Clancy et al. | Gaze-contingent autofocus system for robotic-assisted minimally invasive surgery | |
WO2023176133A1 (en) | Endoscope holding device, endoscopic surgery system, and control method | |
WO2022172733A1 (en) | Observation device for medical treatment, observation device, observation method and adapter | |
RU2785887C1 (en) | Imaging system for surgical robot and surgical robot | |
Feng et al. | Development of master-slave magnetic anchoring vision robotic system for single-port laparoscopy (SPL) surgery | |
CN115887008A (en) | Surgical robot system | |
CN116616918A (en) | Automatic tracking control system and method for surgical endoscope |