WO2021118417A2 - Система позиционирования манипулятора роботохирургического комплекса - Google Patents
Система позиционирования манипулятора роботохирургического комплекса Download PDFInfo
- Publication number
- WO2021118417A2 WO2021118417A2 PCT/RU2020/050374 RU2020050374W WO2021118417A2 WO 2021118417 A2 WO2021118417 A2 WO 2021118417A2 RU 2020050374 W RU2020050374 W RU 2020050374W WO 2021118417 A2 WO2021118417 A2 WO 2021118417A2
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- surgical
- manipulator
- guides
- manipulators
- possibility
- Prior art date
Links
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
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61G—TRANSPORT, PERSONAL CONVEYANCES, OR ACCOMMODATION SPECIALLY ADAPTED FOR PATIENTS OR DISABLED PERSONS; OPERATING TABLES OR CHAIRS; CHAIRS FOR DENTISTRY; FUNERAL DEVICES
- A61G13/00—Operating tables; Auxiliary appliances therefor
- A61G13/10—Parts, details or accessories
- A61G13/101—Clamping means for connecting accessories to the operating table
Definitions
- the present invention relates to robotic systems for holding and manipulating individual elements, devices or instruments of robotic surgical systems, in particular, for minimally invasive surgery.
- Robots are used in many industries: mechanical engineering, aviation, shipbuilding, astronautics, mining, defense and other areas. Robots are used when working in emergency and especially dangerous conditions where there is a threat to human life and health, as well as in those enterprises where high accuracy and high precision of the sequence of manipulations are required.
- Robots in medicine serve as auxiliary devices, for example, when solving any surgical tasks.
- Robots literally become the "hands of doctors", assisting in the most complex surgical operations.
- the use of robots in medicine has become an integral part of medical practice.
- Manipulators are the actuators in robotic surgical systems. They carry out the movement of surgical instruments directly in the operating field. The use of manipulators in surgery and their improvement is becoming an increasingly urgent scientific and technical problem.
- the most famous robotic-surgical complex "da Vinci" by "Intuitive Surgical, Inc.”
- the da Vinci system consists of three main components: a console with an endoscopic 3D camera, a main console - a master device for the operator-surgeon and an actuator, which is a trolley with manipulators. It should be noted that most of the known designs of surgical robots repeat the schematic diagram (architecture) of the da Vinci robot. The studies carried out have revealed a number of disadvantages of this architecture:
- the essential elements of the robotic surgical system are devices for attaching and positioning the manipulator relative to the surgical table and the patient.
- a manipulator positioning device comprising a movement system with manipulators mounted thereon and fixed on the operating table (US20180078439 A1, publ. 03/22/2018).
- the device is attached to the operating table tincture in such a way that it ensures the location of the manipulators on both sides of the table (the device contains four arms for positioning the four manipulators relative to the patient).
- the operating table includes a tabletop on which the patient is located, a stand and a base.
- the tabletop stand is attached to the base, which stands on the floor and moves relative to the floor using wheels.
- the fastening system is a fastening unit in the form of two L-shaped blocks that fit the operating table stand on both sides.
- the L-shaped blocks have rails along which the vertical supports can move.
- two arms / arms of the manipulator positioning system are suspended.
- Each of the positioning consoles can be moved counterclockwise along the L-shaped rails around the rack.
- the manipulator positioning systems retract under the table and provide full access to the operating table.
- the positioning consoles are designed with a series-connected kinematic chain.
- the first link of the positioning system is a lever connected to the vertical support by means of a pivot connection, which can provide a rotational movement of the first link.
- the movement of the first link and the second link relative to the operating table in the lateral and longitudinal directions provides movement in the directions of the X and Y axes.
- the second link provides lifting of the mechanism in the vertical direction Z.
- the positioning system of the manipulators can move in three degrees of freedom. After the end of the surgical intervention, to provide access to the surgical table, the design of the positioning system allows the mechanism to fold under the table in the areas on the sides of the patient's legs and head.
- the design of the manipulator positioning system does not allow the manipulators to be quickly removed from the operating area, which is a prerequisite for emergency interruptions of laparoscopic surgery and the transition to abdominal surgery;
- the object of the present invention is to provide a manipulator positioning system that ensures the attachment of manipulators to the operating table and increases the number of possible positions of the manipulator relative to the patient located on the operating table, and, in addition, allows the manipulators to be removed from the operating area in the shortest possible time.
- the technical result is achieved, which consists in increasing the rigidity of attaching the manipulators while increasing the possible positions of the manipulators relative to the patient and in increasing the speed and reducing the time for moving the manipulators to the working position (working area) and back to the storage area located under the foot part of the tabletop of the operating table, in such a way as to preserve the traditional functionality of the table, which allows you to quickly interrupt the robotic surgery and continue it in the abdominal operation mode.
- a positioning system for manipulators of the robotic surgical complex including at least one apron 7 located on one side of the surgical table, containing a device for attaching it to the standard attachment points of additional equipment of the surgical table, and equipped with guides 11, and a movement system made in the form of a horizontal element 6 mounted on an apron 7, at least one vertical column 8 mounted on a horizontal element 6, and positioning mechanism 1 of the manipulator 18 with a surgical instrument made with the possibility of placement in the upper part of the vertical column 8.
- the horizontal element 6 is made with the possibility of vertical movement relative to the surgical table along the guides 11 of the apron 7 with the help of at least two carriages fixed to them and moving along them 23, the horizontal element 6 is provided with guides 12.
- the vertical column 8 is made in the form of a two-component telescopic rack 8 and is equipped with guides 24 from the inner side and guides 16 from the front side, the column 8 is made with the possibility of: horizontal movement along the horizontal element 6 along its guides 12 with the help of at least two carriages 10 fixed on them and moving along them, and vertical movement relative to the horizontal element 6 along the guides 24 with the help of at least two carriages 14 located on the connecting module 15, which is installed on and the carriages 10 of the horizontal element 6.
- the column 8 is made with the possibility of vertical movement relative to the horizontal element 6 in such a range that the positioning mechanism 1 of the manipulator moves above the level of the surgical table in the working position and below the level of the surgical table in the non-working position.
- the positioning mechanism 1 of the manipulator is fixed on the connecting element 4 and includes pivoting consoles 2, 5, made with the possibility of rotation in the horizontal plane.
- the connecting element 4, together with the positioning mechanism 1 of the manipulator is made with the possibility of vertical movement relative to the horizontal element 6 along the column 8 along the guides 16 of the front side of the column 8 using at least two carriages attached to them and moving along them, placed on the connecting element 4.
- the pivoting consoles 2, 5 are made with the ability to rotate in a horizontal plane so that the console 2, being above the surface of the surgical table in the working position, makes a full rotation of 360 degrees and has the possibility of a limited rotation under the table surface in the non-working state.
- the console 5 is made with the possibility of installing on it the attachment point and positioning 3 of the manipulator 18 with the surgical instrument, and the unit 3 is made with the possibility of turning around its axis to bring the manipulator 18 into the working position.
- all elements of the system are equipped with servo drives and controllers, made with the possibility of receiving and transmitting control commands from the central control unit of the robotic surgical complex to perform the elements of the system of coordinated movements.
- at least one swivel arm with attachment and positioning assembly 3, on which the manipulator 18 with the surgical instrument is installed is located under the surgical table in the inoperative position and forms a storage area for the manipulators.
- the manipulator storage area is located in the leg section of the surgical table. [014] In some embodiments, the manipulator positioning system further includes a sterilization system located in the manipulator storage area.
- the manipulator storage area is configured such that the manipulators located therein do not restrict standard surgical table movements.
- FIG. 1 illustrates the mechanism of the manipulator positioning system and its attachment to the operating surgical table.
- FIG. 2 illustrates a general view of the assembly of a manipulator positioning system in storage mode.
- FIG. 3 illustrates a general view of the assembly of the manipulator positioning system in the working position.
- FIG. 4 illustrates a block diagram of the servo control of the positioning system.
- robot technological complex means complex systems or complexes in surgery using a robotic assistant during the operation.
- Robot assistive systems or “robotic assisted surgical systems” are robotic systems designed to perform medical operations. These are not standalone devices. During the operation, the robotic assistive systems are controlled by surgeons.
- connection means operatively connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.
- the proposed invention has been implemented in a manipulator positioning system that is secured to standard rails of an operating surgical table.
- the proposed invention makes it possible to transfer the manipulators to the working area - the space where the surgical operation is performed, and upon its completion - to transfer the manipulators to the storage area located under the operating table in the side provided for the location of the legs.
- the use of such an approach to solving the problem makes it possible to reduce the occupied area of the robotic surgical system and makes it possible, in an automated mode or in a manual mode, to quickly bring the manipulators into the working position and also quickly remove them into the storage area.
- the fastening mechanism (see Fig. 1) of the positioning system of manipulators to the surgical table in general, consists of two aprons 7, each of which has the ability to be attached to the side of the surgical table in a removable manner so that on opposite sides of the table there is one apron 7 (the further description of the system design is in relation to one of the aprons, while the design of the second apron and its systems is identical).
- apron 7 it is possible to mount at least one guitar 6, and on it at least one telescopic vertical column 8, each of which has its own positioning arm (positioning mechanism 1) with a fixed manipulator (in the drawing not shown).
- FIG. 1 shows an example with one column 8 and, respectively, with one positioning arm 1.
- guides 11 are fixed vertically relative to the table, which serve to bring the manipulators out of the storage area into the working area and along which the horizontal element 6 moves vertically, which will hereinafter be referred to as "guitar" 6.
- the guitar 6 is attached on one side to the mounting platform 22, and on the other side is provided with guides 12.
- the mounting platform 22 is connected to the corresponding carriages 23 mounted on the guides 11 of the apron 7.
- the mounting platform 22 can move along the guides 11 of the apron 7 under the influence of any type of drive (electric, hydraulic, pneumatic, etc.).
- the drive in FIG. 1 is not shown.
- the guides 12 of the guitar 6 are installed along the entire length of the guitar 6.
- the vertical column 8 is a telescopic two-piece rack. Moreover, the components of the rack are identical and symmetrical. The component oriented towards the guitar 6 is the inside of the vertical column 8, and the component oriented away from the surgical table is the face of the vertical column.
- Each side is provided with guides extending along the entire length of the vertical column 8, and drive mechanisms in the form of a ball screw drive 13 with a drive 9.
- guides 24 are installed, and on the front side of the column 8, guides 16 are installed.
- Vertical the column 8 is connected to the guitar 6 as follows. On the guides 12 of the guitar 6, carriages 10 are installed.
- a connecting module 15 is installed, which performs the function of moving the positioning system along the surgical table.
- the connecting module 15 consists of two parts, which together form a reliable, rigid, quick-detachable connection.
- the connecting module 15 on one side is attached to the carriages 10, and on the other side of the connecting module 15 carriages 14 are attached to it 14.
- the carriages 14 enter the guides 24, which in turn are installed on the inner side of the vertical column 8.
- the vertical column 8 moves horizontally behind integral with the connecting module 15 along the guides 12 of the guitar 6 under the influence of a drive mechanism made in the form of a drive 9 and a ball screw (ball screw) 13 located on the guitar.
- a positioning mechanism 1 on a sequential structure is fixed on the vertical column 8 by means of a connecting element 4, which consists of two consoles 2 and 5 and a turntable 3 for attaching and positioning a manipulator 18.
- the connecting element 4 is attached through guides 16 on the front side of the column 8 in such a way in a way that forms a kinematic pair with the positioning mechanism 1 on the sequential structure.
- the listed drives form a drive unit 17.V at the articulation of the console 5 and platform 3 there is also an independent drive with position sensors.
- the connecting element 4 thanks to the carriages, has the ability to make vertical translational movements along the guides 16 on the front side of the vertical column 8, and the column 8 itself has the ability to move vertically along the connecting module 15 along the guides 24.
- the movements can be performed jointly or alternately.
- the positioning mechanism 1 of the manipulator carries out movement in the plane of the surgical table, turning relative to the connecting element 4.
- the pivoting consoles 2 and 5 are made with the possibility of rotation in the horizontal plane so that the console 2, being above the surface of the surgical table in the working position, makes a full 360 degree rotation and had limited rotation under the table surface when inoperative.
- On the specified console 5 there is a mounting and positioning unit 3 of the manipulator 18 with a surgical instrument, made with the possibility of turning around its axis to bring the manipulator 18 into the working position.
- the actuators can be any known linear motion mechanism that minimizes loss of precision due to backlash. In a preferred embodiment of the manipulator positioning system, all the above-described movements along the guides are responsible for ball screws (ball screws) 13, which drive the servomotors 9, each of which is connected to its own gear.
- a servo drive is used in conjunction with any known gearboxes with zero mechanical backlash, for example, backlash-free planetary gearboxes.
- Such drive mechanisms used on the rotary axes in the structure of the mechanism, ensure high positioning accuracy of the manipulators.
- the advantage of this design is to provide linear movements along the lateral surface of the surgical table, to implement the amount of motion required to position the manipulator, and to create a rigid frame by the structure to achieve high accuracy.
- This arrangement of linear movements provides a large coverage of the operating field, while having a more compact overall size of the entire positioning mechanism.
- the system works as follows. In the inoperative position, the manipulators 18 are located (Fig. 2) in the storage area 19 below the level of the surgical table in the leg part so as not to protrude beyond the dimensions of the tabletop 20 of the operating surgical table and thus not to block the standard functions of the table. There is also a sterilization system for a surgical instrument (not shown in the drawing). After receiving the control signal (Fig. 4), the drive unit 17 of the rotary console sets in motion pivoting consoles 2 and 5, and manipulators 18, turning at a given angle, are removed from under the table. Then the servomotors 9 of the vertical columns (racks) 8 raise the manipulators above the level of the surgical table, and the servomotors 9 of the guitar 6 move them to the desired area.
- the servomotors 9 of the rotary consoles 2 and 5 rotate the manipulators 18 into the working position (Fig. 3) above the surgical table, while the manipulators 18 are positioned in such a way as to provide the most convenient space for the surgeon's work.
- the system allows to rotate / rotate the manipulator 18 to the required angle, if during the operation the angle of rotation of the surgical instrument is insufficient. After the completion of the surgical operation or at the command of the surgeon, in a short time, the system is able to automatically move to the storage area, if it is necessary to continue the operation as a cavity one.
- the positioning system along with the automatic one, also has a manual control drive, made in the form of a joystick, which has a wired or, in some cases, wireless connection to the system.
- the central control unit 21 of the positioning system 1 together with the control unit of the robotic surgical complex as a whole memorizes the preset positions of the manipulators and, if necessary, upon command, can bring the manipulators to these positions.
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Robotics (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Accommodation For Nursing Or Treatment Tables (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
Настоящее изобретение относится к роботизированным системам для удерживания и манипулирования инструментом. Система включает по меньшей мере один фартук, расположенный с одной из сторон хирургического стола и содержащий средства его крепления к стандартным точкам крепления хирургического стола; систему перемещения, выполненную в виде направляющих с закрепленной на них по меньшей мере одной кареткой, на которой установлена по меньшей мере одна стойка, выполненная с возможностью вертикального перемещения относительно каретки таким образом, чтобы верхняя точка стойки оказывалась ниже уровня хирургического стола. Стойка оснащена поворотной консолью, выполненной с возможностью поворота в горизонтальной плоскости таким образом, чтобы консоль находилась над поверхностью хирургического стола в рабочем положении и ниже уровня стола в нерабочем положении, на которой установлен узел крепления манипулятора с хирургическим инструментом, выполненный с возможностью поворота вокруг своей оси, для приведения манипулятора в рабочее положение. Все элементы системы оснащены приводами и контроллерами, выполненными с возможностью приема передачи управляющих команд от блока управления роботохирургического комплекса к приводам для приведения элементов системы в движение.
Description
СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ МАНИПУЛЯТОРА РОБОТОХИРУРГИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА
Область техники, к которой относится изобретение
[001] Настоящее изобретение относится к роботизированным системам для удерживания и манипулирования отдельными элементами, приспособлениями или инструментами роботохирургических комплексов, в частности, для минимально инвазивной хирургии.
Предпосылки создания изобретения
[002] В настоящее время роботы используются во многих отраслях промышленности: в машиностроении, авиации, судостроении, космонавтике, добыче полезных ископаемых, оборонной сфере и других областях. Роботы используются при работе в чрезвычайных и особо опасных условиях, где присутствует угроза человеческой жизни и здоровью, а также на тех предприятиях, где требуется высокая точность и высокая четкость последовательности выполняемых манипуляций.
[003] Медицина - одна из наиболее востребованных и перспективных отраслей для применения робототехники. Роботы в медицине служат как вспомогательные устройства, например, при решении каких-либо хирургических задач. Роботы в буквальном смысле становятся «руками врачей», ассистируя в сложнейших хирургических операциях. Применение роботов в медицине стало неотъемлемой частью медицинской практики.
[004] Переход от традиционной полостной операции к минимально инвазивной хирургии обусловлен рядом преимуществ от использования данной технологии проведения операции. В роботохирургии используются миниатюрные хирургические инструменты (ножницы, иглодержатель, зажим и т.п.) и 3D эндоскопическая камера, которые вводятся через небольшие разрезы до 15 мм в тело пациента и имеют размеры 5-10 мм в диаметре.
[005] В сравнении с традиционным способом проведения полостных операций минимально инвазивная хирургия по лапароскопическому принципу имеет следующие преимущества:
• более тщательное и точное исполнение хирургических манипуляций;
• меньшая кровопотеря у пациента;
• меньшая травма тканей;
• более короткий восстановительный период;
• более короткий срок пребывания в больнице.
[006] Развитие лапароскопии привело к возникновению совершенно новой области в медицине, называемой роботохирургией, где используются современные мехатронные механизмы и цифровые системы. Хирургические роботы были созданы для того, чтобы расширить возможности хирургов, ограниченные пределами обычной лапароскопии. Применение хирургических роботов в медицине обеспечено тем, что у роботохирургической системы есть задающее устройство - контроллер, управляемое оператором-хирургом, и есть исполнительное устройство - манипулятор с
закрепленным хирургическим инструментом, который отрабатывает поступающие в цифровом виде команды, передаваемые от движений рук оператора-хирурга. Это дает значительные преимущества над традиционным способом проведения хирургической операции. На сегодняшний день роботы активно внедрены в медицинскую практику, прежде всего, в общую хирургию, кардиохирургию, урологию, гинекологию, нейрохирургию и др.
[007] Исполнительным механизмом в роботохирургических системах являются манипуляторы. Они осуществляют перемещения хирургических инструментов непосредственно в операционном поле. Применение в хирургии манипуляторов и их совершенствование становится все более актуальной научной и технической задачей. Наиболее известен роботохирургический комплекс «da Vinci» компании «Intuitive Surgical, Inc.». Система «da Vinci» состоит из трех основных компонентов: консоли с эндоскопической 3D камерой, главной консоли - задающего устройства оператора-хирурга и исполнительного механизма, в качестве которого выступает тележка с манипуляторами. Следует отметить, что большинство известных конструкций хирургических роботов повторяют принципиальную схему (архитектуру) робота «da Vinci». Проведенные исследования выявили ряд недостатков такой архитектуры:
• ограничение по точности перемещения инструмента;
• незначительная и ограниченная жесткость конструкции позиционирования манипулятора;
• значительный размер исполнительных устройств, в том числе манипуляторов;
• значительное пространство, занимаемое системой позиционирования инструмента относительно пациента.
[008] Существенным элементам роботохирургического комплекса являются устройства для крепления и позиционирования манипулятора относительно хирургического стола и пациента. В уровне техники известно устройство позиционирования манипуляторов, содержащее систему перемещения с установленными на ней манипуляторами и закрепленную на операционном столе (US20180078439 А1, опубл. 22.03.2018). Устройство крепится настойку операционного стола таким образом, что обеспечивает расположение манипуляторов с двух сторон стола (устройство содержит четыре руки для позиционирования четырех манипуляторов относительно пациента). Операционный стол включает в себя столешницу, на которой располагается пациент, стойку и основание . Стойка для расположения столешницы крепится к основанию, которое стоит на полу и перемещается относительно пола с помощью колес. Крепежная система представляет собой блок крепления в виде двух L-образных колодок, которые облегают с двух сторон стойку операционного стола. На L-образных колодках предусмотрены направляющие, по которым могут перемещаться вертикальные опорные крепления. В каждой из L-образных колодок подвешено по две консоли/руки системы позиционирования манипуляторов. Каждую из консолей системы позиционирования можно перемещать по L-образным направляющим вокруг стойки против часовой стрелки. Системы позиционирования манипуляторов убираются под стол и обеспечивают полный доступ к операционному столу. Консоли позиционирования имеют конструкцию с последовательно соединенной кинематической цепью. Первое звено системы позиционирования
представляет собой рычаг, соединенный с вертикальной опорой за счет поворотного соединения, которое может обеспечить вращательное движение первого звена. Перемещение первого звена и второго звена относительно операционного стола в боковом и в продольном направлении обеспечивает движение по направлениям осей X и Y. Второе звено обеспечивает подъем механизма в вертикальном направлении Z. Таким образом, система позиционирования манипуляторов может совершать перемещения по трем степеням свободы. После окончания хирургического вмешательства, для обеспечения доступа к хирургическому столу, конструкция системы позиционирования позволяет механизму складываться под столом в зонах со сторон ног и головы пациента. К существенным недостаткам рассматриваемого технического решения можно отнести следующее:
- конструкция системы позиционирования манипуляторов не позволяет быстро выводить манипуляторы из операционной зоны, что является обязательным условием для экстренных случаев прерывания лапароскопической операции и перехода к полостной операции;
- ограниченность по количеству возможных положений манипуляторов относительно пациента, что связано с креплением системы к основанию хирургического стола;
- недостаточная жесткость конструкции, что является немаловажным фактором для исполнительного устройства при проведении роботохирургической операции.
Суть изобретения
[009] Задачей настоящего изобретения является создание системы позиционирования манипуляторов, обеспечивающей крепление манипуляторов к операционному столу и увеличивающей количество возможных позиций манипулятора относительно пациента, располагающегося на операционном столе, и, кроме того, позволяющей убирать манипуляторы из операционной зоны в кратчайшие сроки.
[010] При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении жесткости крепления манипуляторов при одновременном увеличении возможных положений манипуляторов относительно пациента и в повышении скорости и снижении времени переведения манипуляторов в рабочее положение (рабочую зону) и обратно в зону хранения, расположенную под ножной частью столешницы операционного стола, таким образом, чтобы сохранить традиционные функциональные возможности стола, что позволяет быстро прервать роботохирургическую операцию и продолжить ее в режиме полостной операции.
[011] Для решения поставленной задачи и достижения технического результата была разработана система позиционирования манипуляторов роботохирургического комплекса, включающая по меньшей мере один фартук 7, расположенный с одной из сторон хирургического стола, содержащий устройство его крепления к стандартным точкам присоединения дополнительного оборудования хирургического стола, и снабженный направляющими 11 , и систему перемещения, выполненную в виде горизонтального элемента 6, установленного на фартуке 7, по меньшей мере одной вертикальной колонны 8, установленной на горизонтальном элементе 6, и позиционирующего
механизма 1 манипулятора 18 с хирургическим инструментом, выполненным с возможностью размещения в верхней части вертикальной колонны 8. Причем горизонтальный элемент 6 выполнен с возможностью вертикального перемещения относительно хирургического стола по направляющим 11 фартука 7 с помощью закрепленных на них и перемещающихся вдоль них по меньшей мере двух кареток 23, горизонтальный элемент 6 снабжен направляющими 12. Причем вертикальная колонна 8 выполнена в виде двухкомпонентной телескопической стойки 8 и снабжена направляющими 24 с внутренней стороны и направляющими 16 с лицевой стороны, колонна 8 выполнена с возможностью: горизонтального перемещения вдоль горизонтального элемента 6 по его направляющим 12 с помощью закрепленных на них и перемещающихся вдоль них по меньшей мере двух кареток 10, и вертикального перемещения относительно горизонтального элемента 6 по направляющим 24 при помощи по меньшей мере двух кареток 14, размещенных на соединительном модуле 15, который установлен на каретках 10 горизонтального элемента 6. Причем колонна 8 выполнена с возможностью вертикального перемещения относительно горизонтального элемента 6 в таком диапазоне, чтобы позиционирующий механизм 1 манипулятора перемещался выше уровня хирургического стола в рабочем положении и ниже уровня хирургического стола в нерабочем положении. Причем позиционирующий механизм 1 манипулятора закреплен на соединительном элементе 4 и включает поворотные консоли 2, 5, выполненные с возможностью поворота в горизонтальной плоскости. Причем соединительный элемент 4 вместе с позиционирующим механизмом 1 манипулятора выполнен с возможностью вертикального перемещения относительно горизонтального элемента 6 вдоль колонны 8 по направляющим 16 лицевой стороны колонны 8 с помощью закрепленных на них и перемещающихся вдоль них по меньшей мере двух кареток, размещенных на соединительном элементе 4. Причем поворотные консоли 2, 5 выполнены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости таким образом, чтобы консоль 2, находясь над поверхностью хирургического стола в рабочем положении, совершала полный оборот на 360 градусов и имела возможность ограниченного поворота под поверхностью стола в нерабочем состоянии. При этом консоль 5 выполнена с возможностью установки на ней узла крепления и позиционирования 3 манипулятора 18 с хирургическим инструментом, а узел 3 выполнен с возможностью поворота вокруг своей оси для приведения манипулятора 18 в рабочее положение. При этом все элементы системы оснащены сервоприводами и контроллерами, выполненными с возможностью приема и передачи управляющих команд от центрального блока управления роботохирургического комплекса для выполнения элементами системы согласованных движений. [012] В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере одна поворотная консоль с узлом крепления и позиционирования 3, на котором установлен манипулятор 18 с хирургическим инструментом, в нерабочем положении располагается под хирургическим столом и образуют зону хранения манипуляторов.
[013] В некоторых вариантах осуществления изобретения зона хранения манипуляторов расположена в ножной секции хирургического стола.
[014] В некоторых вариантах осуществления изобретения система позиционирования манипуляторов дополнительно включает систему стерилизации, расположенную в зоне хранения манипуляторов .
[015] В некоторых вариантах осуществления изобретения зона хранения манипуляторов сконфигурирована таким образом, чтобы расположенные в ней манипуляторы не ограничивали стандартные перемещения хирургического стола.
Краткое описание чертежей
[016] Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.
[017] Фиг. 1 иллюстрирует механизм системы позиционирования манипуляторов и крепления ее к операционному хирургическому столу.
[018] Фиг. 2 иллюстрирует общий вид сборки системы позиционирования манипуляторов в режиме хранения.
[019] Фиг. 3 иллюстрирует общий вид сборки системы позиционирования манипуляторов в рабочем положении.
[020] Фиг. 4 иллюстрирует блок-схему управления сервоприводами системы позиционирования.
Термины и определения
[021] Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе .
[022] В настоящем описании и в формуле изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е. в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».
[023] В настоящих материалах заявки под терминами «роботизированный технологический комплекс», «роботизированная система», «роботизированный комплекс», «роботохирургический комплекс», «роботохирургическая система» понимают сложные системы или комплексы в хирургии с использованием робота-ассистента во время операции. «Робот-ассистивные системы» или «робот-ассистированные хирургические системы» - это роботизированные системы, предназначенные для проведения медицинских операций. Это не автономные устройства. Робот- ассистивными системами при проведении операции управляют хирурги.
[024] В настоящих материалах заявки под термином «мехатронный комплекс» или «мехатронная
система» понимают комплекс или систему с компьютерным управлением движения, которые базируются на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.
[025] В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами.
[026] Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.д. используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты.
[027] Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов).
Подробное описание изобретения
[028] Описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенное ниже, приводится исключительно в качестве примера и предназначено для иллюстративных целей, и не предназначено для ограничения объема раскрываемого изобретения.
[029] Предложенное изобретение было реализовано в системе позиционирования манипуляторов, которая закрепляется за стандартные рельсы операционного хирургического стола. Предложенное изобретение позволяет переводить манипуляторы в рабочую зону - пространство, где выполняется хирургическая операция, а по ее завершению - переводить манипуляторы в зону хранения, расположенную под операционным столом в стороне, предусмотренной для расположения ног. Применение такого подхода к решению задачи дает возможность уменьшения занимаемой площади роботохирургической системы и дает возможность в автоматизированном режиме или в ручном режиме быстро выводить манипуляторы в рабочее положение и также быстро их убирать в зону хранения.
[030] Крепежный механизм (см Фиг. 1) системы позиционирования манипуляторов к хирургическому столу, в целом, представляет собой два фартука 7, каждый из которых имеет возможность крепиться к стороне хирургического стола съемным образом так, чтобы на противоположных сторонах стола было по одному фартуку 7 (дальнейшее описание конструкции системы идет в отношении одного из фартуков, при этом конструкция второго фартука и его систем идентична).
[031] В целом на одном фартуке 7 можно установить по меньшей мере одну гитару 6, а на ней по меньшей мере одну телескопическую вертикальную колону 8, на каждой из которых размещена своя рука позиционирования (механизм позиционирования 1) с закрепленным манипулятором (на чертеже не показан). На Фиг. 1 приведен пример с одной колонной 8 и соответственно с одной рукой позиционирования 1. Подробное описание вышеуказанных элементов приведено ниже.
[032] На фартуке 7 вертикально относительно стола закреплены направляющие 11, которые служат для вывода манипуляторов из зоны хранения в рабочую зону и вдоль которых вертикально перемещается горизонтальный элемент 6, который в дальнейшем в материалах заявки будет называться «гитара» 6.
[033] Гитара 6 с одной стороны прикрепляется к установочной платформе 22, а с другой стороны снабжена направляющими 12. Установочная платформа 22 соединена с соответствующими каретками 23, установленными на направляющих 11 фартука 7. Установочная платформа 22 может перемещаться по направляющим 11 фартука 7 под воздействием привода любого типа (электрический, гидравлический, пневматический и др.). Привод на фиг. 1 не показан. Направляющие 12 гитары 6 установлены на протяжении всей длины гитары 6.
[034] На гитаре 6 расположена по меньшей мере одна вертикальная колонна 8, которая выполнена с возможностью горизонтального перемещения вдоль гитары 6. Вертикальная колонна 8 представляет собой телескопическую двухкомпонентную стойку. Причем компоненты стойки идентичны и симметричны. Компонент, ориентированный в сторону гитары 6, является внутренней стороной вертикальной колонны 8, а компонент, ориентированный в сторону от хирургического стола, является лицевой стороной вертикальной колонны. Каждая сторона снабжена направляющими, простирающимися вдоль всей длины вертикальной колонны 8, и приводными механизмами в виде шарико-винтовой передачи 13 с приводом 9. На внутреннею сторону колонны 8 установлены направляющие 24, а на лицевую сторону колонны 8 установлены направляющие 16. [035] Вертикальная колонна 8 соединена с гитарой 6 следующим образом. На направляющих 12 гитары 6 установлены каретки 10. На каретках 10 установлен соединительный модуль 15, выполняющий функцию перемещения системы позиционирования вдоль хирургического стола. Соединительный модуль 15 состоит из двух частей, которые между собой образуют надежное, жесткое быстросъемное соединение. Соединительный модуль 15 с одной стороны крепится на каретки 10, а с другой стороны соединительного модуля 15 на него крепятся каретки 14. Каретки 14 входят в направляющие 24, которые в свою очередь установлены на внутренней стороне вертикальной колонны 8. Вертикальная колонна 8 перемещается по горизонтали за одно целое с соединительным модулем 15 по направляющим 12 гитары 6 под воздействием приводного механизма, выполненного в виде привода 9 и шарико-винтовой передачи (ШВП) 13, расположенных на гитаре.
[036] На вертикальной колонне 8 закреплен посредством соединительного элемента 4 механизм позиционирования 1 на последовательной структуре, который состоит из двух консолей 2 и 5 и поворотной площадки 3 крепления и позиционирования манипулятора 18. Соединительный элемент 4 прикреплен через направляющие 16 на лицевой стороне колонны 8 таким образом, что образует кинематическую пару с механизмом позиционирования 1 на последовательной структуре. При этом в сочленении элемента 4 и консоли 2 находятся несколько независимых приводов с датчиками положения, а в сочленении консоли 2 и консоли 5 также находятся несколько независимых приводов с датчиками положения. Перечисленные приводы образуют блок приводов 17. В
сочленении консоли 5 и площадки 3 также находится независимый привод с датчиками положения. Соединительный элемент 4, благодаря кареткам, имеет возможность совершать вертикальные поступательные движения вдоль направляющих 16 на лицевой стороне вертикальной колонны 8, а сама колонна 8 имеет возможность перемещаться вертикально вдоль соединительного модуля 15 по направляющим 24. Движения могут выполняться совместно или попеременно.
[037] Позиционирующий механизм 1 манипулятора осуществляет перемещение в плоскости хирургического стола, поворачиваясь относительно соединительного элемента 4. Поворотные консоли 2 и 5 выполнены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости таким образом, чтобы консоль 2, находясь над поверхностью хирургического стола в рабочем положении, совершала полный оборот на 360 градусов и имела возможность ограниченного поворота под поверхностью стола в нерабочем состоянии. На указанной консоли 5 установлен узел крепления и позиционирования 3 манипулятора 18 с хирургическим инструментом, выполненный с возможностью поворота вокруг своей оси для приведения манипулятора 18 в рабочее положение. [038] Приводные механизмы могут быть выполнены в виде любого известного механизма, обеспечивающего линейные перемещения и обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов. В предпочтительном варианте осуществления системы позиционирования манипуляторов за все описанные выше перемещения по направляющим отвечают шарико-винтовые передачи (ШВП) 13, которые приводят в движения сервомоторы 9, каждый из которых соединен со своей передачей.
[039] В качестве блока приводов 17 используется сервопривод в паре с любыми известными редукторами с нулевым механическим люфтом, например, безлюфтовые планетарные редукторы. Такие приводные механизмы, используемые на поворотных осях в конструкции механизма, обеспечивают высокую точность позиционирования манипуляторов.
[040] Совокупность движений всего механизма обеспечивает необходимое перемещение системы позиционирования по вертикальной плоскости боковой поверхности хирургического стола и осуществляет возврат манипуляторов в зону хранения.
[041] Преимущество такого исполнения состоит в обеспечении линейных движений по боковой поверхности хирургического стола, осуществлении необходимого для позиционирования манипулятора объёма движения и в создании конструкцией жесткого каркаса для достижения высокой точности. Такая компоновка линейных перемещений обеспечивает большой охват операционного поля, при этом имеет более компактный габаритный размер всего механизма позиционирования.
[042] Система работает следующим образом. В нерабочем положении манипуляторы 18 расположены (Фиг. 2) в зоне хранения 19 ниже уровня хирургического стола в ножной его части таким образом, чтобы не выступать за габариты столешницы 20 операционного хирургического стола и при этом не блокировать стандартные функции стола. Там же расположена система стерилизации хирургического инструмента (не показана на чертеже). После получения управляющего сигнала (Фиг. 4) блок приводов 17 поворотной консоли приводит в движение
поворотные консоли 2 и 5, и манипуляторы 18, поворачиваясь на заданный угол, выводятся из-под стола. Затем сервомоторы 9 вертикальных колонн (стоек) 8 поднимают манипуляторы над уровнем хирургического стола, а сервомоторы 9 гитары 6 перемещают их в требуемую область. После чего сервомоторы 9 поворотных консолей 2 и 5 поворачивают манипуляторы 18 в рабочее положение (Фиг. 3) над хирургическим столом, при этом манипуляторы 18 располагают таким образом, чтобы обеспечить максимально удобное пространство для работы хирурга.
[043] В процессе проведения операции по команде хирурга система позволяет поворачивать/доворачивать манипулятор 18 на необходимый угол, если при проведении операции угла поворота хирургического инструмента недостаточно. После завершения хирургической операции или по команде хирурга, в короткое время, система способна в автоматическом режиме перейти в зону хранения, в случае если потребуется продолжить операцию как полостную.
[044] При этом перемещение манипуляторов будет происходить по траектории удаления от систем жизнеобеспечения пациента. Система позиционирования наравне с автоматическим имеет и ручной привод управления, выполненный в виде джойстика, имеющего проводное или, в отдельных случаях, беспроводное соединение с системой.
[045] Центральный блок управления 21 системой позиционирования 1 совместно с блоком управления роботохирургического комплекса в целом запоминает заданные положения манипуляторов и, при необходимости, по команде может вывести манипуляторы в данные положения.
[046] Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. В тоже время очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.
Claims
1. Система позиционирования манипуляторов роботохирургического комплекса, включающая: по меньшей мере один фартук 7, расположенный с одной из сторон хирургического стола, содержащий устройство его крепления к стандартным точкам присоединения дополнительного оборудования хирургического стола, и снабженный направляющими 11, и систему перемещения, выполненную в виде: горизонтального элемента 6, установленного на фартуке 7, по меньшей мере одной вертикальной колонны 8, установленной на горизонтальном элементе 6, и позиционирующего механизма 1 манипулятора 18 с хирургическим инструментом, выполненным с возможностью размещения в верхней части вертикальной колонны 8; причем горизонтальный элемент 6 выполнен с возможностью вертикального перемещения относительно хирургического стола по направляющим 11 фартука 7 с помощью закрепленных на них и перемещающихся вдоль них по меньшей мере двух кареток 23, горизонтальный элемент 6 снабжен направляющими 12; причем вертикальная колонна 8 выполнена в виде двухкомпонентной телескопической стойки 8 и снабжена направляющими 24 с внутренней стороны и направляющими 16 с лицевой стороны, колонна 8 выполнена с возможностью: горизонтального перемещения вдоль горизонтального элемента 6 по его направляющим 12 с помощью закрепленных на них и перемещающихся вдоль них по меньшей мере двух кареток 10, и вертикального перемещения относительно горизонтального элемента 6 по направляющим 24 при помощи по меньшей мере двух кареток 14, размещенных на соединительном модуле 15, который установлен на каретках 10 горизонтального элемента 6; причем колонна 8 выполнена с возможностью вертикального перемещения относительно горизонтального элемента 6 в таком диапазоне, чтобы позиционирующий механизм 1 манипулятора перемещался выше уровня хирургического стола в рабочем положении и ниже уровня хирургического стола в нерабочем положении; причем позиционирующий механизм 1 манипулятора закреплен на соединительном элементе 4 и включает поворотные консоли 2, 5, выполненные с возможностью поворота в горизонтальной плоскости; причем соединительный элемент 4 вместе с позиционирующим механизмом 1 манипулятора выполнен с возможностью вертикального перемещения относительно горизонтального элемента 6 вдоль колонны 8 по направляющим 16 лицевой стороны колонны 8 с помощью закрепленных на них и перемещающихся вдоль них по меньшей мере двух кареток, размещенных на соединительном
элементе 4; причем поворотные консоли 2, 5 выполнены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости таким образом, чтобы консоль 2, находясь над поверхностью хирургического стола в рабочем положении, совершала полный оборот на 360° и имела возможность ограниченного поворота под поверхностью стола в нерабочем состоянии; при этом консоль 5 выполнена с возможностью установки на ней узла крепления и позиционирования 3 манипулятора 18 с хирургическим инструментом, а узел 3 выполнен с возможностью поворота вокруг своей оси для приведения манипулятора 18 в рабочее положение; при этом все элементы системы оснащены сервоприводами и контроллерами, выполненными с возможностью приема и передачи управляющих команд от центрального блока управления роботохирургического комплекса для выполнения элементами системы согласованных движений.
2. Система по по.1, отличающаяся тем, что в нерабочем положении по меньшей мере одна поворотная консоль с узлом крепления и позиционирования 3, на котором установлен манипулятор 18 с хирургическим инструментом, располагается под хирургическим столом и образуют зону хранения манипуляторов.
3. Система по п.2, отличающаяся тем, что зона хранения манипуляторов расположена в ножной секции хирургического стола.
4. Система по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно включает систему стерилизации, расположенную в зоне хранения манипуляторов.
5. Система по п.2, отличающаяся тем, что зона хранения манипуляторов сконфигурирована таким образом, чтобы расположенные в ней манипуляторы не ограничивали стандартные перемещения хирургического стола.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019141228 | 2019-12-12 | ||
| RU2019141228A RU2720841C1 (ru) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Система позиционирования манипулятора роботохирургического комплекса |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2021118417A2 true WO2021118417A2 (ru) | 2021-06-17 |
| WO2021118417A3 WO2021118417A3 (ru) | 2021-08-05 |
Family
ID=70735222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2020/050374 WO2021118417A2 (ru) | 2019-12-12 | 2020-12-11 | Система позиционирования манипулятора роботохирургического комплекса |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2720841C1 (ru) |
| WO (1) | WO2021118417A2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114795786A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-07-29 | 太仓戴尔塔医疗科技有限公司 | 一种精准医疗手术机器人执行机构及其工作方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0917859A1 (fr) * | 1997-11-14 | 1999-05-26 | Medsys S.A. | Dispositif de manipulation d'instruments chirurgicaux |
| US10159533B2 (en) * | 2014-07-01 | 2018-12-25 | Auris Health, Inc. | Surgical system with configurable rail-mounted mechanical arms |
| US11185455B2 (en) * | 2016-09-16 | 2021-11-30 | Verb Surgical Inc. | Table adapters for mounting robotic arms to a surgical table |
| MX2020007623A (es) * | 2018-01-17 | 2020-09-14 | Auris Health Inc | Plataforma quirurgica con soportes de brazo regulable. |
| RU187033U1 (ru) * | 2018-07-05 | 2019-02-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" | Хирургический манипулятор |
-
2019
- 2019-12-12 RU RU2019141228A patent/RU2720841C1/ru active
-
2020
- 2020-12-11 WO PCT/RU2020/050374 patent/WO2021118417A2/ru active Application Filing
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114795786A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-07-29 | 太仓戴尔塔医疗科技有限公司 | 一种精准医疗手术机器人执行机构及其工作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2720841C1 (ru) | 2020-05-13 |
| WO2021118417A3 (ru) | 2021-08-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6783910B2 (ja) | マルチポート手術ロボットシステム構造 | |
| US11596488B2 (en) | Surgical system instrument mounting | |
| US20210401517A1 (en) | Computer-assisted teleoperated surgery systems and methods | |
| JP6896047B2 (ja) | 手術器具の近位制御のためのシステム及び方法 | |
| KR102167359B1 (ko) | 영공간을 이용한 수술 머니퓰레이터의 명령된 재구성을 위한 시스템 및 방법 | |
| RU135957U1 (ru) | Робот-манипулятор | |
| EP3117966A1 (en) | Hybrid robot | |
| US20230000572A1 (en) | Surgical system and method of controlling surgical manipulator arm | |
| JP2023089083A (ja) | 手術システム | |
| WO2021118417A2 (ru) | Система позиционирования манипулятора роботохирургического комплекса | |
| RU198063U1 (ru) | Устройство для позиционирования хирургического инструмента в пространстве | |
| RU2753118C2 (ru) | Роботизированная система для удержания и перемещения хирургического инструмента при проведении лапароскопических операций |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 20899856 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A2 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20899856 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A2 |