RU2802129C1 - Method of virtual simulation of retrograde intrarenal surgery for treatment of urolithiasis, used in teaching endourological manipulation skills and in planning surgery using a flexible ureteroscope - Google Patents
Method of virtual simulation of retrograde intrarenal surgery for treatment of urolithiasis, used in teaching endourological manipulation skills and in planning surgery using a flexible ureteroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2802129C1 RU2802129C1 RU2022135449A RU2022135449A RU2802129C1 RU 2802129 C1 RU2802129 C1 RU 2802129C1 RU 2022135449 A RU2022135449 A RU 2022135449A RU 2022135449 A RU2022135449 A RU 2022135449A RU 2802129 C1 RU2802129 C1 RU 2802129C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- virtual
- surgery
- intrarenal
- retrograde
- model
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицины и предназначено для предоперационного планирования и проведения тренировочной хирургической операции, а именно ретроградной интраренальной хирургии камней почек с лазерной литотрипсией, а также для обучения навыкам эндоурологических манипуляций молодых специалистов, с использованием трехмерной модели полостной системы почки и камня пациента сгенерированной по данным компьютерной томографии пациента, при помощи рукоятки-контроллера, с модулем управления, включающим блок датчиков, регистрирующих изменение положения элементов, имитирующих рабочий орган гибкого уретероскопа, и средство преобразования полученных данных от датчиков в угол поворота изображения, полученного от виртуального зонда гибкого уретероскопа.The invention relates to medicine and is intended for preoperative planning and conducting a training surgical operation, namely, retrograde intrarenal surgery of kidney stones with laser lithotripsy, as well as for teaching the skills of endourological manipulations to young specialists, using a three-dimensional model of the cavitary system of the kidney and the patient's stone generated from the data computed tomography of a patient using a handle-controller, with a control module including a sensor unit that registers a change in the position of elements that imitate the working body of a flexible ureteroscope, and a means for converting the data received from the sensors into the angle of rotation of the image received from the virtual probe of the flexible ureteroscope.
Мочекаменная болезнь является распространенным заболеванием, затрагивающее более 10% населения Российской Федерации. Несмотря на определение факторов риска и эффетивных мер по профилактике, до сих пор значимая часть таких больных требует оперативного лечения, что подчеркивает важность освоения урологами всех имеющихся хирургических пособий. В настоящее время открытая хирургия камней верхних мочевых путей практически полностью заменилась мини-инвазивными вмешательствами, такими как перкутанная нефролитотрипсия (ПНЛ) и ретроградная интраренальная хирургия (РИРХ), каждое из которых представляет собой совокупность отдельных этапов, опосредующих успех всей операции.Urolithiasis is a common disease affecting more than 10% of the population of the Russian Federation. Despite the identification of risk factors and effective preventive measures, a significant proportion of such patients still require surgical treatment, which emphasizes the importance of mastering all available surgical aids by urologists. Currently, open surgery for upper urinary tract stones has almost completely been replaced by minimally invasive interventions such as percutaneous nephrolithotripsy (PNL) and retrograde intrarenal surgery (RIRS), each of which is a combination of individual steps that mediate the success of the entire operation.
В процессе освоения молодыми специалистами эндоурологических манипуляций существует ряд проблем, такие как значимая кривая обучения и необходимость обеспечения безопасности пациентов.In the process of mastering endourological manipulations by young specialists, there are a number of problems, such as a significant learning curve and the need to ensure patient safety.
Из уровня техники известны способы планирования операций с использованием виртуальных трехмерных моделей почек пациентов, например, известно техническое решение из патента US 8500451 (В2), опубликованного 06.08.2013, в котором раскрыты устройство и способ моделирования тренировочной хирургической операции на сосудах (ангиопластики) с использованием 3д модели сгенерированной на основе данных медицинских изображений реального пациента. Способ включает получение с помощью системы ввода 3д модели сосудов конкретного пациента сгенерированных на основе массива данных исследования (КТ) пациента, моделирование тренировочной хирургической операции с использованием полученной 3д модели сосудов пациента, при этом система моделирования принимает и обрабатывает сигналы, полученные от блока отслеживания имитаторов интервенционных инструментов и отправляет сигналы на блок генерации силовой обратной связи.From the prior art methods of planning operations using virtual three-dimensional models of the kidneys of patients are known, for example, a technical solution is known from US patent 8500451 (B2), published on 08/06/2013, which discloses a device and method for modeling a training surgical operation on the vessels (angioplasty) using 3D model generated from medical image data of a real patient. The method includes obtaining, using the input system, a 3D model of the vessels of a particular patient generated on the basis of an array of research data (CT) of the patient, modeling a training surgical operation using the obtained 3D model of the patient's vessels, while the simulation system receives and processes signals received from the tracking unit of interventional simulators. instruments and sends signals to the force feedback generation unit.
Изобретение предназначено для предоперационного планирования и репетиции хирургической операции на сосудах, что не позволяет его использовать для планирования и обучения навыкам ретроградной интраренальной хирургической операции для лечения мочекаменной болезни.The invention is intended for preoperative planning and rehearsal of a surgical operation on the vessels, which does not allow it to be used for planning and teaching the skills of a retrograde intrarenal surgical operation for the treatment of urolithiasis.
Также из патента US 10716626 B2, опубликованного 29.12.2016, известен способ, реализованный на вычислительном устройстве, имеющем по меньшей мере один процессор, хранилище и коммуникационную платформу, способную подключаться к сети для определения одного или нескольких измерений, связанных с почкой, причем способ включает получение трехмерного (3D) изображения почки, визуализацию трехмерного изображения в трехмерном виртуальном пространстве, прием ввода от пользователя, причем ввод соответствует прямому взаимодействию пользователя в трехмерном виртуальном пространстве и указанию местоположения по отношению к представлению почки в визуализируемом трехмерном изображении, рендеринг представления инструмента в виртуальном трехмерном пространстве на основе местоположения, автоматическое выравнивание в трехмерном виртуальном пространстве представления инструмента с воронкообразным путем чашечки в месте расположения относительно почки на основе полученных данных от пользователя, визуализацию графического расширения линии от представления инструмента в виртуальном трехмерном пространстве для визуализации выравнивания представления инструмента; а также определение одного или более измерений, относящихся к почке, на основе местоположения и анатомической структуры почки.Also from US Pat. No. 1,0716,626 B2 published Dec. 29, 2016, there is known a method implemented on a computing device having at least one processor, storage, and communication platform capable of connecting to a network to determine one or more kidney-related measurements, the method comprising obtaining a three-dimensional (3D) image of the kidney, rendering a three-dimensional image in a three-dimensional virtual space, receiving input from a user, the input corresponding to direct user interaction in the three-dimensional virtual space and specifying a location in relation to a representation of the kidney in the rendered three-dimensional image, rendering a representation of the instrument in the virtual three-dimensional space based on location, automatically aligning in 3D virtual space an instrument representation with a calyx funnel path at a location relative to the kidney based on data received from the user, visualizing a graphical extension of a line from the instrument representation in the virtual 3D space to visualize instrument representation alignment; and determining one or more measurements related to the kidney based on the location and anatomical structure of the kidney.
Недостатком данного технического решения является то, что оно предназначено для планирования только чрезкожных вмешательств, отсутствует возможность проведения тренировочной ретроградной интраренальной хирургической операции для лечения мочекаменной болезни.The disadvantage of this technical solution is that it is intended for planning only percutaneous interventions, there is no possibility of training retrograde intrarenal surgery for the treatment of urolithiasis.
В уровне техники известны способы обучения или тренировки хирургических навыков, в которых используются настоящие инструменты, например, портативный симуляционный тренажер для развития мануальных навыков в лапароскопической хирургии, известный из патента RU 2768590 C1, опубликованного 24.03.2022, или тренажер для отработки эндоскопических навыков, в том числе, трансуретальной литотрипсии, описанный по ссылке http://medbuy.ru/medicinskij-trenazher-simulyator/simbionix-uroperc-mentor.In the prior art, there are methods for teaching or training surgical skills that use real tools, for example, a portable simulation simulator for developing manual skills in laparoscopic surgery, known from patent RU 2768590 C1, published on 03/24/2022, or a simulator for practicing endoscopic skills, in including transurethral lithotripsy described at http://medbuy.ru/medicinskij-trenazher-simulyator/simbionix-uroperc-mentor.
Недостатки указанных способов заключаются в том, что они предназначены по большей части для использования шаблонных анатомических реконструкций, представляющих собой стандартизированные анатомические модели и не подходят, например, для планирования операций.The disadvantages of these methods are that they are intended for the most part for the use of template anatomical reconstructions, which are standardized anatomical models and are not suitable, for example, for planning operations.
Техническая проблема, решаемая заявленным способом, заключается в расширении арсенала обучающих технических средств для отработки навыков ретроградной интраренальной хирургии с использованием устройства, имитирующего работу настоящего рабочего гибкого уретероскопа, позволяющего подключать его напрямую к ПК и применять его с виртуальными моделями, загруженными в графическую оболочку ПО, установленного на любом персональном компьютере.The technical problem solved by the claimed method is to expand the arsenal of training technical tools for practicing the skills of retrograde intrarenal surgery using a device that simulates the work of a real working flexible ureteroscope, which allows you to connect it directly to a PC and use it with virtual models loaded into the software graphic shell, installed on any personal computer.
Техническим результатом патентуемого изобретения является разработка способа отработки мануальных навыков начинающих хирургов, а также для опытных хирургов при планировании операций с использованием гибкого уретероскопа, без необходимости использования физических моделей за счет возможности использования устройства с виртуальными моделями посредством модуля датчиков положения, регистрирующего величины изменения положения подвижных единиц устройства, и связанного с ним модуля управления, передающего данные от датчиков на ПК.The technical result of the patented invention is the development of a method for practicing the manual skills of novice surgeons, as well as for experienced surgeons when planning operations using a flexible ureteroscope, without the need to use physical models due to the possibility of using the device with virtual models by means of a position sensor module that registers the magnitude of the change in the position of moving units device, and the associated control module that transmits data from sensors to a PC.
Заявленный технический результат достигается за счет способа виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии для лечения мочекаменной болезни, применяемый при обучении навыкам эндоурологических манипуляций и при планировании операций с использованием гибкого уретероскопа, характеризующегося тем, что получают данные, содержащие информацию об исследовании пациента с применением 3D визуализации, выделяют и определяют из этих данных путем фильтрации массива данных исследования в диапазоне плотностей, соответствующих содержимому полостной системы почки и камня, на основании полученных данных создают 3D модель полостной системы почки пациента и 3D модель камня и сохраняют их в памяти устройства или облачном хранилище в формате, применимом для хранения трехмерных моделей объектов, передают и используют созданную на предыдущем шаге трехмерную модель полостной системы почки и камня пациента для последующего моделирования тренировочной хирургической операции, включающей запуск программы на ПК с графической оболочкой, в которую загружают файл с полостью 3D моделью почки и файл с 3D моделью камня, изменяют отображение участка, имитируя перемещение виртуального гибкого уретероскопа внутри 3D модели начиная с верхней трети мочеточника, при этом имитацию круговых и вращательных движений виртуального зонда гибкого уретероскопа осуществляют посредством контроллера, подключенного к ПК и включающего рукоять с рычагом и блоком датчиков, один из которых регистрирует угол поворота рукояти вокруг продольной оси, а другой регистрирует угол поворота рычага, передают полученные данные в микроконтроллер, который преобразует их в величину угла, на который необходимо отклонить виртуальный зонд в графическом интерфейсе ПО, и далее передаются на ПК, а имитацию поступательных движений осуществляют посредством кнопок многокнопочного устройства, с помощью которого также осуществляют передачу команды ПК на имитацию лазерной литотрипсии и удаления камней виртуальной корзинкой.The claimed technical result is achieved due to the method of virtual simulation of retrograde intrarenal surgery for the treatment of urolithiasis, used in teaching the skills of endourological manipulations and in planning operations using a flexible ureteroscope, characterized in that data containing information about the study of the patient using 3D visualization is obtained, and determine from these data by filtering the array of research data in the density range corresponding to the contents of the kidney cavity system and stone, based on the data obtained, a 3D model of the patient's kidney system and a 3D stone model are created and stored in the device memory or cloud storage in a format applicable to store three-dimensional models of objects, transfer and use the three-dimensional model of the cavity system of the kidney and the patient's stone created in the previous step for subsequent simulation of a training surgical operation, including running a program on a PC with a graphical shell, into which a file with a cavity of a 3D kidney model and a file with a 3D stone model, change the display of the site, simulating the movement of a virtual flexible ureteroscope inside the 3D model, starting from the upper third of the ureter, while simulating the circular and rotational movements of the virtual flexible ureteroscope probe is carried out by means of a controller connected to a PC and including a handle with a lever and a sensor unit, one of which registers the angle of rotation of the handle around the longitudinal axis, and the other registers the angle of rotation of the lever, transmits the received data to the microcontroller, which converts them into the angle by which the virtual probe must be deflected in the software graphical interface, and then transferred to the PC, and the simulation of translational movements is carried out by means of the buttons of a multi-button device, with the help of which the PC command is also transmitted to simulate laser lithotripsy and remove stones with a virtual basket.
В частном случае осуществления изобретения отклонение сдвигаемого рычага вверх до 90(соответствует отклонению изображения с виртуального зонда внутри 3D модели полостной системы почки в графическом интерфейсе ПО на ПК вниз до -270°, а отклонение сдвигаемого рычага вниз до -90(соответствует отклонению изображения вверх до 270°.In a particular case of the invention, the deviation of the shifted lever up to 90 (corresponds to the deviation of the image from the virtual probe inside the 3D model of the cavitary system of the kidney in the graphical interface of the software on the PC down to -270°, and the deviation of the shifted lever down to -90 (corresponds to the deviation of the image up to 270°.
В частном случае осуществления изобретения отклонение сдвигаемого рычага определяют посредством магнитного энкодера, установленного напротив поворотной части рычага, на которой закреплен неодимовый магнит.In a particular case of the implementation of the invention, the deviation of the shifted lever is determined by means of a magnetic encoder installed opposite the rotary part of the lever, on which the neodymium magnet is fixed.
В частном случае осуществления изобретения вращение рукояти влево до -180(соответствует вращению изображения влево до -180°, а вращение рукояти вправо до 180(соответствует вращению изображения вправо до 180°.In a particular case of the invention, the rotation of the handle to the left up to -180 (corresponds to the rotation of the image to the left up to -180 °, and the rotation of the handle to the right up to 180 (corresponds to the rotation of the image to the right up to 180 °.
В частном случае осуществления изобретения угол поворота рукояти вокруг своей продольной оси определяют посредством датчика, представляющего собой акселерометр, установленный на модуле управления.In a particular case of the invention, the angle of rotation of the handle around its longitudinal axis is determined by means of a sensor, which is an accelerometer installed on the control module.
В частном случае осуществления изобретения имитацию перемещения виртуального зонда вперед-назад осуществляют с помощью кнопок «↓» и «↑» на мультикнопочном устройстве.In a particular case of the invention, the simulation of moving the virtual probe back and forth is carried out using the "↓" and "↑" buttons on the multi-button device.
В частном случае осуществления изобретения с нажатием кнопки “1” на мультикнопочном устройстве на ПК передается команда на отображение в графической оболочке программы кончика лазера, после чего все предыдущие команды от контроллера и мультикнопочного устройства на перемещение, включая круговые, вращательные и поступательные, применяются к кончику лазера, нажатие на мультикнопочном устройстве кнопки “2” дает команду на включение или выключение лазера для дробления, нажатие кнопки “3” на мультикнопочном устройстве дает команду на выбор режима дробления - фрагментация/распыление, нажатие кнопки “4” - на активирование дробления.In a particular case of the invention, by pressing the button “1” on the multi-button device, a command is transmitted to the PC to display the laser tip in the graphical shell of the program, after which all previous commands from the controller and the multi-button device to move, including circular, rotational and translational, are applied to the tip laser, pressing button “2” on the multi-button device gives a command to turn the laser on or off for crushing, pressing button “3” on the multi-button device gives a command to select the crushing mode - fragmentation / spraying, pressing button “4” - to activate crushing.
В частном случае осуществления изобретения с нажатием кнопки “5” на мультикнопочном устройстве на ПК передается команда на отображение в графической оболочке программы кончика виртуальной эндоурологической корзинки, после чего все предыдущие команды от контроллера и мультикнопочного устройства на перемещение, включая круговые, вращательные и поступательные, применяются к кончику корзинки, нажатие на мультикнопочном устройстве кнопки “6” дает команду на раскрытие корзинки, кнопки “7” - на захват камня, когда он внутри корзинки, для его дальнейшего извлечения.In a particular case of the invention, by pressing the “5” button on the multi-button device, a command is transmitted to the PC to display the tip of the virtual endourological basket in the graphical shell of the program, after which all previous commands from the controller and the multi-button device to move, including circular, rotational and translational, are applied to the tip of the basket, pressing the button “6” on the multi-button device gives a command to open the basket, buttons “7” - to capture the stone when it is inside the basket, for its further extraction.
В частном случае осуществления изобретения мультикнопочное устройство представляет собой запрограммированный контроллер, содержащий кнопки «↓», «↑» и кнопки, соответствующие цифрам от “0” до “9”.In a particular embodiment of the invention, the multi-button device is a programmed controller containing buttons "↓", "↑" and buttons corresponding to numbers from "0" to "9".
В частном случае осуществления изобретения мультикнопочное устройство представляет собой компьютерную клавиатуру.In a particular embodiment of the invention, the multi-button device is a computer keyboard.
Возможность загрузки 3D моделей полостной системы почки конкретного пациента, а также модели камней, основанных на данных томографических исследований, позволяют осуществлять обучение навыкам манипулирования гибким уретероскопом на виртуальных 3D моделях, полученных в результате томографического обследования реальных пациентов, что обеспечивает возможность планирования операции. Кроме того, такой способ обучения позволяет осваивать начинающим хирургам навыки манипуляций при проведении интраренальной литотрипсии и экстракции камней из полостной системы почки без непосредственного влияния на пациента. Несмотря на то, что физические тренажеры обеспечивают тактильную обратную связь, эффект на освоение навыков аналогичен таковому при использовании предлагаемого способа, при этом использование реконструированные 3D модели органов пациентов позволяет в процессе обучения применять различные по анатомии виртуальные модели, загруженные в память ПК, и вызываемые из программы, без необходимости их производства, а использование контроллера с блоком датчиков обеспечивает независимость процесса обучения от использования эндоурологических инструментов, подверженных поломке на начальных этапах освоения специалистами тех или иных манипуляций. В совокупности использование контроллера и мультикнопочного устройства с установленной связью манипуляций, производимых с ними, и командами, передаваемыми ПК на изменение изображений 3D моделей органов, камней, отображение кончиков инструментов и их изменение позволяет отработать четкую последовательность действий, совершаемых во время реальных операций для проведения безошибочных манипуляций с настоящими пациентами.The ability to load 3D models of the renal cavitary system of a particular patient, as well as stone models based on tomographic data, allows training in the manipulation of a flexible ureteroscope on virtual 3D models obtained as a result of a tomographic examination of real patients, which provides the possibility of planning an operation. In addition, this method of training allows novice surgeons to master the skills of manipulation during intrarenal lithotripsy and extraction of stones from the renal cavitary system without direct influence on the patient. Despite the fact that physical simulators provide tactile feedback, the effect on mastering skills is similar to that when using the proposed method, while the use of reconstructed 3D models of patient organs allows the use of virtual models of different anatomy in the learning process, loaded into the PC memory and called from programs, without the need for their production, and the use of a controller with a block of sensors ensures the independence of the learning process from the use of endourological instruments that are prone to breakage at the initial stages of mastering certain manipulations by specialists. Together, the use of a controller and a multi-button device with an established connection of manipulations performed with them, and commands transmitted by the PC to change images of 3D models of organs, stones, display the tips of instruments and change them allows you to work out a clear sequence of actions performed during real operations to carry out error-free manipulations with real patients.
Далее решение поясняется ссылками на фигуру, на которой приведен общий вид системы, используемой в способе.Further, the solution is explained by reference to the figure, which shows a general view of the system used in the method.
Заявленный способ реализуется посредством машиночитаемого носителя с записанными инструкциями, выполняемыми устройством обработки команд системы 1, выполнение которых визуально отображается на средстве вывода информации 2 в графической оболочке программы, загруженной в систему.The claimed method is implemented by means of a computer-readable medium with recorded instructions executed by the command processing device of the system 1, the execution of which is visually displayed on the information output means 2 in the graphical shell of the program loaded into the system.
Под системой подразумевается компьютерная система, ЭВМ (электронно-вычислительная машина), ЧПУ (числовое программное управление), ПЛК (программируемый логический контроллер), компьютеризированные системы управления и любые другие устройства, способные выполнять заданную, четко определенную последовательность операций (действий, инструкций).The system means a computer system, a computer (electronic computer), CNC (numerical control), PLC (programmable logic controller), computerized control systems and any other devices capable of performing a given, well-defined sequence of operations (actions, instructions).
Под устройством обработки команд подразумевается электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы).A command processing device is an electronic unit or an integrated circuit (microprocessor) that executes machine instructions (programs).
Устройство обработки команд считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с одного или более машиночитаемого носителя. В роли устройства хранения данных могут выступать, но, не ограничиваясь, жесткие диски (HDD), флеш-память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), твердотельные накопители (SSD), оптические накопители информации (CD, DVD, Blue-Ray диски).An instruction processing device reads and executes machine instructions (programs) from one or more computer-readable media. The role of a storage device can be, but not limited to, hard drives (HDD), flash memory, ROM (read only memory), solid state drives (SSD), optical storage media (CD, DVD, Blue-Ray disks).
Программа - последовательность инструкций, предназначенных для исполнения устройством управления вычислительной машины или устройством обработки команд.Program - a sequence of instructions intended for execution by a computer control device or a command processing device.
Команды на устройство обработки передаются с мультикнопочного устройства 3, а также с контроллера 4 для виртуальной симуляции ретроградной интраренальной хирургии, содержащего корпус, выполненного удлиненной формы с продольным углублением в центральной части с образованием выступов на обоих концах корпуса и включающий средство 6 для подключения контроллера к компьютеру, на боковой поверхности одного из выступов установлен жесткий рычаг 5, включающий поворотную часть, которая в нерабочем положении расположена перпендикулярно продольной оси корпуса и повернута в сторону, противоположную выступу, и внутреннюю часть, обращенную во внутреннюю область корпуса, внутренняя часть рычага и внутренняя поверхность корпуса содержат отверстия, к которым крепится с двух сторон пружина, внутри корпуса установлен модуль управления, включающий микроконтроллер, соединенный с акселерометром, выполненным с возможностью измерения угла поворота инструмента вокруг продольной оси, и магнитным энкодером, напротив которого на внутренней части рычага установлен неодимовый магнит.Commands to the processing device are transmitted from the multi-button device 3, as well as from the controller 4 for virtual simulation of retrograde intrarenal surgery, containing a body made of an elongated shape with a longitudinal recess in the central part with the formation of protrusions at both ends of the body and including means 6 for connecting the controller to a computer , a rigid lever 5 is installed on the side surface of one of the protrusions, including a rotary part, which in the non-working position is located perpendicular to the longitudinal axis of the body and turned in the direction opposite to the protrusion, and the inner part facing the inner region of the body, the inner part of the lever and the inner surface of the body contain holes to which a spring is attached on both sides, a control module is installed inside the housing, including a microcontroller connected to an accelerometer configured to measure the angle of rotation of the tool around the longitudinal axis, and a magnetic encoder, opposite which a neodymium magnet is installed on the inside of the lever.
Мультикнопочное устройство представляет собой запрограммированный контроллер, содержащий кнопки «↓», «↑» и кнопки, соответствующие цифрам от “0” до “9”. Также может использоваться стандартная компьютерная клавиатураThe multi-button device is a programmed controller containing the buttons "↓", "↑" and buttons corresponding to the numbers "0" to "9". A standard computer keyboard can also be used
Ретроградная интраренальная хирургия (РИРХ) - это самый современный малоинвазивный оперативный метод лечения камней почек, применяемый при камнях почек до 2 см. Технический прогресс, разработка более миниатюрных гибких инструментов, а также бурное развитие лазерных технологий в последние годы послужили основой для внедрения новых методов удаления камней. Операция выполняется путем проведения тонкого гибкого инструмента (уретерореноскоп) через естественные мочевые пути и дробления камней при помощи лазерного излучения. Применение современного гибкого эндоскопического инструментария, а также различных устройств для разрушения и удаления фрагментов камня позволило в течение 1-1,5 часов удалять даже весьма плотные камни почек, в том числе расположенные в различных чашечках.Retrograde intrarenal surgery (RIRS) is the most modern minimally invasive surgical method for the treatment of kidney stones, used for kidney stones up to 2 cm. stones. The operation is performed by passing a thin, flexible instrument (ureterorenoscope) through the natural urinary tract and crushing the stones with laser light. The use of modern flexible endoscopic instruments, as well as various devices for the destruction and removal of stone fragments, made it possible to remove even very dense kidney stones, including those located in different cups, within 1-1.5 hours.
Компьютерная томография - метод неразрушающего послойного исследования внутреннего строения предмета. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями. В настоящее время рентгеновская компьютерная томография является основным томографическим методом исследования внутренних органов человека с использованием рентгеновского излучения.Computed tomography is a method of non-destructive layer-by-layer study of the internal structure of an object. The method is based on the measurement and complex computer processing of the difference in X-ray attenuation by tissues of different density. Currently, X-ray computed tomography is the main tomographic method for examining human internal organs using X-rays.
Воксел (в разговорной речи воксель, англ. Voxel - образовано из слов: объемный (англ. volumetric) и пиксель (англ. pixel)) - элемент объемного изображения, содержащий значение элемента растра в трехмерном пространстве. Вокселы являются аналогами двумерных пикселей для трехмерного пространства. Воксельные модели часто используются для визуализации и анализа медицинской и научной информации.Voxel (in colloquial speech voxel, English Voxel - formed from the words: volumetric (English volumetric) and pixel (English pixel)) - an element of a three-dimensional image containing the value of a raster element in three-dimensional space. Voxels are analogs of two-dimensional pixels for three-dimensional space. Voxel models are often used to visualize and analyze medical and scientific information.
Данное техническое решение обеспечивает возможность планирования и репетиции ретроградной интраренальной хирургической операции за счет создания трехмерной модели полостной системы почки и камня конкретного пациента.This technical solution provides the possibility of planning and rehearsing a retrograde intrarenal surgical operation by creating a three-dimensional model of the cavitary system of the kidney and stone of a particular patient.
Согласно предлагаемому техническому решению, способ предоперационного моделирования хирургической процедуры включает следующие шаги.According to the proposed technical solution, the method of preoperative simulation of a surgical procedure includes the following steps.
Получают данные, содержащие информацию об исследовании пациента. Подробную информацию о пациенте можно получить из данных исследования, например, компьютерной томографии (КТ), магнитно-резонансной томографии (МРТ) и др.Receive data containing information about the study of the patient. Detailed patient information can be obtained from examination data such as computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), etc.
Современные томографы сохраняют данные об исследовании пациента в специальном формате DICOM. DICOM-файл содержит информацию об интенсивности или плотности тканей в конкретном срезе, в каждой точке среза. Срезы могут производиться в трех плоскостях: сагиттальной, фронтальной, горизонтальной. DICOM файлы объединяются в серию и представляют набор последовательных срезов органа или участка тела. Назовем данные в серии, все точки (вокселы) каждого среза в серии, массив данных исследования, который представляет собой 3х мерный массив, где каждый элемент массива хранит координаты точки и плотность ткани. Загрузка, обработка, использование информации хранящейся в DICOM-файлах не представляет технической сложности исходя их текущего уровня техники.Modern tomographs store patient data in a special DICOM format. The DICOM file contains information about the intensity or density of tissues in a particular slice, at each slice point. Sections can be made in three planes: sagittal, frontal, horizontal. DICOM files are combined into a series and represent a set of sequential sections of an organ or body area. Let's call the data in the series, all points (voxels) of each slice in the series, the study data array, which is a 3-dimensional array, where each element of the array stores point coordinates and tissue density. Loading, processing, using information stored in DICOM files is not technically difficult based on the current state of the art.
Компьютерная томография сохраняет в файлах рентгеновскую плотность, которая зависит от физической плотности тканей. Для количественной оценки рентгеновской плотности используется шкала Хаунсфилда, диапазон плотностей тканей составляет -1024 до+3071 HU. Средние показатели по шкале Хаунсфилда: воздух -1000 HU, жир -120 HU, вода 0 HU, мягкие ткани+40 HU, кости+400 HU и выше.Computed tomography stores x-ray density in files, which depends on the physical density of tissues. To quantify X-ray density, the Hounsfield scale is used, the range of tissue densities is -1024 to +3071 HU. Average values on the Hounsfield scale: air -1000 HU, fat -120 HU, water 0 HU, soft tissues + 40 HU, bones + 400 HU and above.
Выделяют и определяют из этих данных путем фильтрации массива данных исследования в диапазоне плотностей, соответствующих содержимому полостной системы почки, на основании полученных данных создают 3D модель полостной системы почки и сохраняют в формате для аддитивных технологий, а именно, в формате стереолитографии (STL). Аналогично, выделяют и определяют путем фильтрации массива данных КТ-исследования в диапазоне плотностей, соответствующих камню полостной системы почки и сохраняют в формате STL.It is isolated and determined from these data by filtering the array of research data in the density range corresponding to the contents of the kidney cavitary system, based on the data obtained, a 3D model of the kidney cavitary system is created and saved in a format for additive technologies, namely, in stereolithography (STL) format. Similarly, the CT study data array is isolated and determined by filtering the data array in the density range corresponding to the stone of the renal cavity system and saved in the STL format.
Полученные STL-файлы, содержащие 3D модели полостной системы почки и камня, загружают в машиночитаемый носитель, которые после запуска программы в системе 1 можно визуализировать на средстве вывода информации 2 в графической оболочке программы. После загрузки модели полостной системы почки и модели камня, их позиционируют относительно друг другу в соответствии с реальным положением, определенным по КТ-снимкам.The resulting STL files containing 3D models of the cavitary system of the kidney and stone are loaded into a machine-readable medium, which, after running the program in system 1, can be visualized on the output tool 2 in the graphical shell of the program. After loading the model of the cavitary system of the kidney and the stone model, they are positioned relative to each other in accordance with the actual position determined from CT images.
Далее посредством мультикнопочного устройства 3 и контроллера 4 изменяют отображение участка, имитируя перемещение виртуального зонда гибкого уретероскопа внутри 3D модели начиная с верхней трети мочеточника.Further, by means of the multi-button device 3 and the controller 4, the area display is changed, simulating the movement of the virtual probe of the flexible ureteroscope inside the 3D model, starting from the upper third of the ureter.
Имитацию круговых и вращательных движений виртуального зонда осуществляют посредством контроллера, подключенного к ПК и включающего рукоять с рычагом и блоком датчиков, один из которых регистрирует угол поворота рукояти вокруг продольной оси, а другой регистрирует угол поворота рычага, передают полученные данные в микроконтроллер, который преобразует их в величину угла, на который необходимо отклонить виртуальный зонд в графическом интерфейсе ПО, и далее передаются на ПК. Отклонение сдвигаемого рычага 5 вверх до 90(соответствует отклонению изображения с виртуального зонда внутри 3D модели полостной системы почки в графическом интерфейсе ПО на ПК вниз до -270°, а отклонение сдвигаемого рычага вниз до -90(соответствует отклонению изображения вверх до 270°. Отклонение сдвигаемого рычага определяют посредством магнитного энкодера, установленного напротив поворотной части рычага, на которой закреплен неодимовый магнит.Simulation of circular and rotational movements of the virtual probe is carried out by means of a controller connected to a PC and including a handle with a lever and a sensor unit, one of which registers the angle of rotation of the handle around the longitudinal axis, and the other registers the angle of rotation of the lever, transmits the received data to the microcontroller, which converts them to the value of the angle by which it is necessary to deflect the virtual probe in the graphical interface of the software, and then transferred to the PC. The deviation of the shifted lever 5 up to 90 (corresponds to the deviation of the image from the virtual probe inside the 3D model of the cavitary system of the kidney in the graphical interface of the software on the PC down to -270°, and the deviation of the shifted lever down to -90 (corresponds to the deviation of the image up to 270°. Deviation of the shifted lever is determined by means of a magnetic encoder installed opposite the rotary part of the lever, on which the neodymium magnet is fixed.
Вращение рукояти влево до -180(соответствует вращению изображения влево до -180°, а вращение рукояти вправо до 180(соответствует вращению изображения вправо до 180°. Угол поворота рукояти вокруг своей продольной оси определяют посредством датчика, представляющего собой акселерометр, установленный на модуле управления.Rotation of the handle to the left up to -180 (corresponds to the rotation of the image to the left up to -180 °, and rotation of the handle to the right up to 180 (corresponds to the rotation of the image to the right up to 180 °. The angle of rotation of the handle around its longitudinal axis is determined by means of a sensor, which is an accelerometer installed on the control module .
Имитацию поступательных движений осуществляют посредством кнопок многокнопочного устройства 3, в частности имитацию перемещения виртуального зонда вперед-назад осуществляют с помощью кнопок «↓» и «↑» на мультикнопочном устройстве.Simulation of translational movements is carried out using the buttons of the multi-button device 3, in particular, the simulation of moving the virtual probe back and forth is carried out using the "↓" and "↑" buttons on the multi-button device.
Также с помощью мультикнопочного устройства осуществляют передачу команды ПК на имитацию лазерной литотрипсии.Also, using a multi-button device, a PC command is transmitted to simulate laser lithotripsy.
Так, с нажатием кнопки “1” на мультикнопочном устройстве на ПК передается команда на отображение в графической оболочке программы кончика лазера, после чего все предыдущие команды от контроллера и мультикнопочного устройства на перемещение, включая круговые, вращательные и поступательные, применяются к кончику лазера, нажатие на мультикнопочном устройстве кнопки “2” дает команду на включение или выключение лазера для дробления, нажатие кнопки “3” на мультикнопочном устройстве дает команду на выбор режима дробления - фрагментация/распыление, нажатие кнопки “4” - на активирование дробления.So, by pressing the button “1” on the multi-button device, a command is transmitted to the PC to display the laser tip program in the graphical shell, after which all previous commands from the controller and the multi-button device to move, including circular, rotational and translational, are applied to the laser tip, pressing on a multi-button device, buttons “2” give a command to turn the laser on or off for crushing, pressing button “3” on a multi-button device gives a command to select the crushing mode - fragmentation / spraying, pressing button “4” - to activate crushing.
Также с помощью мультикнопочного устройства осуществляют передачу команды ПК на имитацию удаления камней виртуальной корзинкой. Для этого с нажатием кнопки “5” на мультикнопочном устройстве на ПК передается команда на отображение в графической оболочке программы кончика корзинки, после чего все предыдущие команды от контроллера и мультикнопочного устройства на перемещение, включая круговые, вращательные и поступательные, применяются к кончику корзинки, нажатие на мультикнопочном устройстве кнопки “6” дает команду на раскрытие корзинки, кнопки “7” - на захват камня, когда он внутри корзинки, для его дальнейшего извлечения.Also, using a multi-button device, a PC command is transmitted to simulate the removal of stones by a virtual basket. To do this, by pressing the “5” button on the multi-button device, a command is transmitted to the PC to display the tip of the basket in the graphical shell of the program, after which all previous commands from the controller and the multi-button device to move, including circular, rotational and translational, are applied to the tip of the basket, pressing on a multi-button device, buttons “6” give a command to open the basket, buttons “7” - to capture the stone when it is inside the basket, for its further extraction.
Claims (10)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2802129C1 true RU2802129C1 (en) | 2023-08-22 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8500451B2 (en) * | 2007-01-16 | 2013-08-06 | Simbionix Ltd. | Preoperative surgical simulation |
| US10716626B2 (en) * | 2015-06-24 | 2020-07-21 | Edda Technology, Inc. | Method and system for interactive 3D scope placement and measurements for kidney stone removal procedure |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8500451B2 (en) * | 2007-01-16 | 2013-08-06 | Simbionix Ltd. | Preoperative surgical simulation |
| US10716626B2 (en) * | 2015-06-24 | 2020-07-21 | Edda Technology, Inc. | Method and system for interactive 3D scope placement and measurements for kidney stone removal procedure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101627411B (en) | Device and method for simulated image to guide medical procedure | |
| KR101206340B1 (en) | Method and System for Providing Rehearsal of Image Guided Surgery and Computer-readable Recording Medium for the same | |
| Spitzer et al. | The visible human dataset: the anatomical platform for human simulation | |
| Basdogan et al. | VR-based simulators for training in minimally invasive surgery | |
| JP6081907B2 (en) | System and method for computerized simulation of medical procedures | |
| JP6042718B2 (en) | Tumor ablation training system and training method | |
| RU2642913C2 (en) | System and method for establishment of individual model of patient's anatomical structure based on digital image | |
| US11051769B2 (en) | High definition, color images, animations, and videos for diagnostic and personal imaging applications | |
| WO2001088882A2 (en) | Endoscopic tutorial system for the pancreatic system | |
| CN113100935A (en) | Preoperative puncture path planning method and training system for lung puncture operation | |
| RU2691524C1 (en) | Simulator for developing skills of performing kidney surgeries | |
| Tai et al. | A high-immersive medical training platform using direct intraoperative data | |
| Dev | Imaging and visualization in medical education | |
| EP3432310A1 (en) | Method and system for a preoperative surgical intervention simulation | |
| RU2802129C1 (en) | Method of virtual simulation of retrograde intrarenal surgery for treatment of urolithiasis, used in teaching endourological manipulation skills and in planning surgery using a flexible ureteroscope | |
| Faso | Haptic and virtual reality surgical simulator for training in percutaneous renal access | |
| Özkadif et al. | Contribution of virtual anatomic models to medical education | |
| JP3845682B2 (en) | Simulation method | |
| Almgoter et al. | Development of a display system for visualization in medical Applications | |
| Troccaz et al. | Simulators for medical training: application to vascular ultrasound imaging | |
| RU178470U1 (en) | DEVICE FOR PREOPERATIVE SIMULATION OF SURGICAL PROCEDURE | |
| JP7444569B2 (en) | Arthroscopic surgery support device, arthroscopic surgery support method, and program | |
| RU2684760C1 (en) | Method and system for pre-operative modeling of medical procedure | |
| Amini | USING VISUALIZATION AND MODELLING TO IMPROVE PRE-SURGICAL DECISION-MAKING IN BREAST RECONSTRUCTION SURGERY | |
| MONDINO | Integration of a virtual reality environment for percutaneous renal puncture in the routine clinical practice of a tertiary department of interventional urology: a feasibility study |