Устройство для отработки навыков микрохирургической техники Российский патент 2021 года по МПК G09B23/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для усовершенствования навыков хирургической техники.

Уровень техники

Микронейрохирургическая техника - это сложный комплекс целенаправленных и координированных действий. Стабильность микрохирургического инструмента в руке оперирующего хирурга является одним из наиболее критических факторов во время оперативного вмешательства, так как при неконтролируемых движениях кончик микроинструментов может повредить ткань мозга (которая в условиях реальной операции является краями операционной полости), либо питающие ее важные сосуды. Таким образом, «твердая рука» хирурга может быть главным фактором, влияющим на успешность микрохирургических операций, что особенно актуально в условиях узкой и глубокой операционной раны при малоинвазивных оперативных доступах.

Стабильность рук хирурга в первую очередь зависит от наличия (или отсутствия) тремора - ритмичных движений рук в результате сокращения мышц агонистов и антагонистов. Это особенно актуально в микронейрохирургии, так как не видимые в обычных условиях движения рук, вызванные физиологическим тремором (1-2 мм амплитудой), могут вызывать значительные проблемы при работе под микроскопом на большом увеличении.

Однако по этическим причинам отработка хирургических навыков на начальном этапе обучения молодых врачей не может осуществляться в условиях реальной операционной. Помимо этого, не всегда есть возможность по причине значительной стоимости иметь дома либо в лечебном учреждении микроскоп для обучения и симуляции работы под большим увеличением.

Предлагаемое устройство может решить эту важную социально-медицинскую проблему и обеспечить возможность тренировки микрохирургических навыков даже в домашних условиях без использования громоздкого операционного микроскопа с измерением уровня точности движений и микрохирургического тремора.

В настоящее время известно несколько устройств для отработки и оценки хирургических навыков.

Известен тремометр, содержащий датчик движения испытуемого, электронный блок и регистратор. Датчик движения выполнен в виде пластины, на которой закреплены два датчика абсолютных угловых скоростей, выполненных в виде роторных вибрационных гироскопов. Пластина крепится на кисти руки испытуемого с помощью ремешка для часов или браслета. Оси чувствительности датчиков абсолютных угловых скоростей составляют ортогональный трехгранник (RU 2102922 С1).

Недостаток подобного устройства состоит в ограниченной функциональной значимости и недостаточной пластичности для применения его в качестве симуляционного оборудования для выработки навыков микронейрохирургической техники, так как данное устройство не предусматривает возможность использования реальных хирургических инструментов (микрохирургических ножниц и микрохирургического пинцета), не предусматривает наличие обучающих программ (сменные платформы, имитирующие различные задачи микрохирургии).

Известно устройство для исследования динамического тремора, содержащее датчик, включающий панель из диэлектрика, имеющую прорезь произвольной конфигурации и щуп с металлическим наконечником, блок обработки сигнала, содержащий графический регистратор, цифровой регистратор, блок обработки сигнала дополнительно содержит два измерительных канала, генератор тактовых импульсов, вычислитель, а в датчик введены две катушки индуктивности, высокочастотный генератор, соединенный с металлическим наконечником, и металлическая пластина (авторское свидетельство СССР №1219052, А61В 5/10, 1986 г.).

Недостаток этого устройство состоит в сложности его конструкции из-за большого количества составляющих его элементов. Также это устройство не предусматривает наличие микрохирургических инструментов, светового индикатора касания ограничивающих рамок (светоизлучающие диоды), звукового индикатора касания сменных платформ, имитирующих различные задачи микрохирургии, верхней крышки с регулируемыми по размеру отверстиями для введения микроинструментов и увеличивающего поле хирургического интереса устройства, что делает это устройство неподходящим для тренировки микрохирургической техники.

Существует тренажер для освоения мануальных хирургических навыков на мозговом отделе головы в реальной топографо-анатомической среде, включающей имитаторы морфологических структур головного мозга, твердой мозговой оболочки, свода черепа и кожи (RU 172037 U1).

Существенными признаками, общими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие имитаторов морфологических структур свода черепа (в заявленном устройстве - верхней крышки с регулируемыми по размеру отверстиями для введения микроинструментов) и возможности использования этого устройства для выработки хирургических навыков на мозговом отделе головы.

Недостаток этого устройства состоит в невозможности произвести количественную оценку микрохирургического тремора (отсутствуют блок регистрации числа касаний микрохирургических инструментов к ограничивающим операционное поле рамкам, световой индикатор касания ограничивающих рамок (светоизлучающие диоды), звуковой индикатор касания ограничивающих рамок.

Существует устройство для треморометрии, содержащее корпус, планшет, блок регистрации, электропроводный щуп, соединительный кабель, высокочастотный генератор, проводящую пластину, диэлектрическую прокладку с прорезями, контурный конденсатор, контурную индуктивность, элемент связи и амплитудный детектор (RU 2617883 С2).

Существенными признаками, общими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие корпуса, блока регистрации (в заявленном устройстве - блока регистрации числа касаний микрохирургических инструментов к ограничивающим операционное поле рамкам), электропроводного щупа и соединительного кабеля.

Недостаток этого устройства состоит в невозможности его использования в качестве симуляционного оборудования для обучения микрохирургическим навыкам, так как данное устройство не предусматривает наличия микрохирургических инструментов; сменных платформ, имитирующих различные задачи микрохирургии, планок, регулирующих глубину имитируемой операционной раны, блока регистрации числа касаний, светового индикатора касаний и звукового индикатора касаний. В случае его использования с целью микрохирургического тренинга требуется операционный микроскоп.

В качестве прототипа было выбрано устройство для тестирования и отработки микронейрохирургической техники (US 2010248200 А1, 30.09.2010), содержащее корпус, устройство обратной тактильной связи, звуковой индикатор касаний, блок регистрации числа касаний, при этом в крышке корпуса выполнены с возможностью изменения размеров отверстия для введения микрохирургических инструментов с ограничивающими рамками.

Основным недостатками данного устройства является то, что симуляция хирургической техники в нем основана на использовании устройств обратной тактильной связи, которые не могут в полной мере воспроизводить тактильные характеристики реальных микрохирургических инструментов. В устройстве нет возможности измерять амплитуду и частоту микрохирургического тремора. Также при его использовании нет возможности для отработки навыков микрохирургической техники под большим увеличением без использования микроскопа, что делает невозможным использование устройства вне микрохирургических лабораторий.

Раскрытие изобретения

Технический результат изобретения состоит в повышении качества медицинской помощи и улучшения микрохирургических навыков оперирующих хирургов, использующих данное устройство.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего самостоятельно (в домашних условиях) в каждодневном режиме отрабатывать навыки микрохирургической техники на имитирующих микронейрохирургические задачи моделях, путем устранения недостатков, имеющихся в известных устройствах и препятствующих их использованию для отработки навыков микрохирургической техники без использования операционного микроскопа в домашних условиях.

Для достижения указанного технического результата разработано устройство, содержащее следующие составные элементы:

• Корпус прямоугольной формы или в форме черепа человека, в верхней крышке которого выполнены отверстия с возможностью изменения их размеров для введения микрохирургических инструментов. Корпус снабжен планками глубины имитируемой операционной раны и боковыми ограничивающими рамками, при этом стенки боковых рамок, планки глубины, края отверстия и корпус электрически связаны с блоком обработки информации.

• Сменные платформы, имитирующие разные задачи микрохирургии.

• Блок обработки информации, регистрирующий факт касания инструментом корпуса, ведущий счет касаний, амплитуду и частоту тремора пользователя. Блок предполагается выполнить на основе микрокомпьютера. Блок обработки информации, регистрирующий касания, отображающий уровень тремора может быть подключен к компьютеру, или мобильному телефону с использованием специального программного обеспечения. В результате могут быть проанализированы показатели микрохирургической техники (изменения точности движений, амплитуды и частоты микрохирургического тремора) созданы диаграммы с возможностью математического анализа прогресса обучения.

• Светозвуковая индикация. Динамик и световые индикаторы, которые сигнализируют пользователю о касаниях ограничительных рамок устройства.

• Блок акселерометра. Закрепляемый на инструменте блок, который обеспечивает измерение частоты и амплитуды тремора.

• Планки крепления (регулируемые по вертикали и горизонтали) для смартфона над корпусом устройства.

Приведенная совокупность существенных признаков достаточна для достижения технического результата изобретения во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Причинно-следственная связь перечисленных признаков с техническим результатом изобретения проявляется в том, что используя специальное программное обеспечение, микрокомпьютер и смартфон (в режиме работы камеры телефона на большом увеличении), подключаемые к устройству, и платформы, имитирующие микрохирургические задачи, а также задавая необходимые размеры операционной раны и ориентируясь на показания акселерометра, возможно тренировать микрохирургическую технику самостоятельно, а также выполнять тестирование хирургов.

Чертежи

На фиг. 1 показана общая схема устройства.

На фиг. 2 показаны ограничивающие рамки устройства.

Цифрами и буквами обозначены:

1 - Миникомпьютер в защитном корпусе с кнопками управления

2 - Экран отображения информации в виде ЖК-матрицы

3 - Элемент питания 5 В для миникомпьютера

4 - Динамик

5 - Светодиодная индикация касания

6 - Светодиодная индикация уровня тремора

7 - Корпус устройства

8 - Электрические разъемы для связи блока отображения информации и светозвуковой индикации с моделью для испытаний

9 - Сменные платформы, имитирующие разные задачи микронейрохирургии и ограничивающие планки

10 - Разъемы для подключения дополнительных инструментов

11 - Съемный блок акселерометра, содержащий МЭМС-акселерометр

12 - Защищенный кабель, содержащий сигнальные провода акселерометра и контактный провод для регистрации касаний

13 - Планки крепления (регулируемые по вертикали и горизонтали) для смартфона над корпусом устройства

Осуществление изобретения

Предлагаемое изобретение выполняется и используется следующим образом.

Блок обработки информации Блок предполагает исполнение на основе микрокомпьютера. На экране отображения информации вне испытания будет отображаться меню, а во время испытания будет отображаться текущее число касаний инструментом ограничивающих рамок устройства, текущий уровень микрохирургического тремора испытуемого и график уровня тремора за выбранный промежуток времени. С помощью кнопок управления можно будет запустить из меню новое испытание, либо войти в меню настроек.

В меню настроек можно будет изменить параметры обработки информации с блока акселерометра такие как параметры усреднения и пороговые уровни для светозвуковой индикации.

Через блок обработки информации также будет подаваться напряжение в 5 V на блок акселерометра, а через него на инструмент испытуемого. В таком случае при касании им ограничивающих рамок сменной платформы будет замыкаться цепь через инструмент и соответствующую линию со светодиодами индикации касания до земли на блоке обработки информации. Через гальванически развязанный контакт изменение напряжении в соответствующей цепи будет распознано микрокомпьютером, который произведет счет касания для соответствующего участка модели.

Светозвуковая индикация

Светозвуковая индикация делится на индикацию касаний (точность движений) и индикацию микрохирургического тремора (амплитуда и частота). Визуализация касаний ограничивающих рамок устройства (которые имитируют края операционной раны) происходит за счет светодидов индикации касаний, питание которых приходит тогда, когда инструмент испытуемого касается модели, замыкая электрическую цепь. Блок обработки информации распознает такие касания и сигнализирует об этом звуковым сигналом через динамик.

Индикация уровня микрохирургического тремора происходит после обработки сигнала от блока акселерометра блоком обработки информации. Если амплитуда и частота тремора больше порогового, то через динамик вопроизводится звуковой сигнал и загорается светодиодная индикация уровня тремора. Предполагается пользователем задавать индивидуальный порог амплитуды и порог для частоты тремора с соответствующими сигналами. Пороги настраиваются через меню настроек в блоке обработки информации.

Корпус

У устройства предполагается общий корпус, содержащий все остальные блоки и сменные платформы, имитирующие разные задачи микрохирургии и ограничивающие планки, межу которыми предполагается выполнять задания. Сменная модель содержит три разъема, через которые она подключается к блоку отображениям информации и индикации. В зависимости от того, каким образом было совершено касание к, замыкается одна из трех цепей, загораются соответствующие светодиоды и происходит счет для одной из трех цепей на блоке отображения информации. Модели для обучения предполагаются сменными, имитирующими реальные микрохирургические задачи.

Форма отверстий может изменяться для каждого конкретного упражнения.

На корпусе устройства предусмотрены разъемы для подключения дополнительных инструментов. Через эти разъемы на дополнительные инструменты будет также подаваться напряжение в 5V. Это позволит распознавать касания микрохирургических инструментов к ограничивающим рамкам и определять точность выполнения заданий.

Блок акселерометра

Подключение инструментов к устройству предполагается осуществлять через съемный блок акселерометра, который будет также выполнять функцию электрического контакта с прибором. На блок акселерометра будет подаваться напряжение 5V, которое будет приложено к креплению. Через крепление оно будет подаваться на сам инструмент, обеспечивая возможность индикации касаний.

Крепление блока к инструменту предполагается осуществлять через резьбовое соединение. К инструментам будет припаиваться штырь из резьбовой прутка в том месте, где он не будет мешать удержанию инструмента испытуемым. На штырь блок будет накручиваться гнездом для крепления. Такое жесткое крепление предпочтительнее для работы акселерометра, в то время как более свободные способы закрепления могут затруднить передачу вибрации от инструмента к акселерометра и таким образом повлиять на измерения.

Все сигнальные провода должны быть стянуты жесткой оболочкой для предотвращения влияния на измерение трибоэлектрических наводок.

Принцип обработки данных акселерометра

Акселерометр на сигнальных выходах выдает напряжение, пропорциональное ускорению, измеренному в направлении соответствующей оси. Миникомпьютер опрашивает значение данного напряжения каждые 10 миллисекунд. В зависимости от заданных настроек усреднения от 20 до 100 этих значений сохраняются и из них каждые 10 секунд считается скользящее среднее значение и отклонение текущего измеренного напряжения от среднего значения для каждой оси. В состоянии покоя акселерометра измеренные значения по всем трем осям мало отклоняются от средних значений, которые определяются ориентацией акселерометра и действием на него ускорения свободного падения. При приложении вибрации к акселерометру, мгновенно измеренное напряжение будет каждый раз отличаться от вычисленного таким образом среднего значения, и разница будет тем больше, чем выше уровень вибрации.

Через вектороное сложение из измеренных по трем осям отклонений от средних значений напряжения вычисляется абсолютное отклонение. В зависимости от заданных настроек усреднения запоминается от 10 до 50 данных значений и из них вычисляется среднее значение. Данное среднее значение умножается на калибровочный коэффициент и отображается на экране индикации как текущее значение вибрации. В ходе проверки данная схема была реализована на ПК в програмной среде Processing.

Значение калибровочного коэффициента подобрано для данного акселерометра таким образом, чтобы отображать конечный результат в м/с².

Выбор параметров усреднения влияет на то, как измеряются отдельные резкие движения инструментом. Чем меньше время усреднения, тем больше они скажутся на конечном значении измеренного уровня вибрации. Учитывая то, тестовые задания с устройством могут быть различные, параметры усреднения будут изменяться пользователем.

Моделирование работы при большом увеличении

На устройстве имеются планки, изменяющие положение в горизонтальной и вертикальной плоскостях, для фиксации смартфона над корпусом устройства. Перед выполнением микрохирургического задания над устройством закрепляется смартфон с включенной камерой на необходимом уровне увеличения. Фокус изображения изменяется с помощью регулировки расстояния до сменной платформы с заданием, с помощью планок крепления смартфона.

При выполнении микрохирургического задания хирург смотрит на экран увеличительного устройства (может быть выполнено в виде смартфона) и видит выполняемые им манипуляции под увеличением, что имитирует работу с использованием операционного микроскопа. В результате моделируется работа под большим увеличением, но при этом отсутствует необходимость использовать больших размеров операционный микроскоп.

Общий принцип работы с устройством

Пользователь устройства подключает через разъемы на корпусе соответствующую микрохирургической задаче сменную платформу и выбирает через меню настроек нужные параметры усреднения и пороговые уровни. Закрепляет смартфон над отверстием в корпусе устройства и включает его камеру на нужный уровень увеличения.

Запускает испытание, после чего счетчики касаний обнуляются, а на экране отображения информации отображаются текущий счет касаний ограничивающих рамок устройства по трем каналам и амплитуду и частоту микрохирургического тремора.

Пользователь устройства выполняет упражнение, смотря на экран мобильного телефона, в это время, если тремор превышает один из двух пороговых уровеней, воспроизводится соответствующий звуковой сигнал. Если происходит касание ограничивающих рамок вокруг модели испытаний, то загорается соотвестствующая индикация и воспроизводится соответствующий звуковой сигнал.

По окончанию использования устройства пользователь кнопкой управления прекращает испытания и на экране отображения информации выдается статистика испытаний: средний и максимальный уровень амплитуды и частоты тремора и точность выполнения задания - количество касаний ограничивающих рамок устройства микрохирургическими инструментами по трем каналам.

Устройство безопасно для использования, так как в качестве источника питания используется гальванический элемент напряжением 5 вольт, имеется выключатель.

В ФГАУ «НМИЦ нейрохирургии им. ак. Н.Н. Бурденко» Минздрава России были проведены испытания представленного устройства. Результаты показали его стабильную и надежную работу.

Информация, принятая во внимание

1. RU 2102922 С1.

2. А.С. СССР У 556559, кл. А61В 5/10, 1977.

3. RU 172037 U1.

4. RU 2617883 C2.

5. US 2010248200 А1.

Изобретение относится к медицинской технике и может применяться для выработки навыков точной и правильной микрохирургической техники без использования микроскопа. Устройство для отработки навыков микрохирургической техники содержит корпус, блок регистрации числа касаний, звуковой индикатор касаний и акселерометр. Верхняя крышка корпуса содержит отверстия для введения микронейрохирургических инструментов, выполненные с возможностью изменения размеров. Блок регистрации электрически соединен с акселерометром. Акселерометр выполнен с возможностью закрепления на микроинструменте и передачи сигнала о характеристиках тремора испытуемого на блок регистрации. Устройство выполнено с возможностью работы под контролем увеличительного прибора. Технический результат состоит в повышении качества микрохирургической техники молодых врачей и уровеня оказываемой ими медицинской помощи. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для отработки навыков микрохирургической техники, содержащее корпус, блок регистрации числа касаний, звуковой индикатор касаний и акселерометр, отличающееся тем, что верхняя крышка корпуса содержит отверстия для введения микронейрохирургических инструментов, выполненные с возможностью изменения размеров, блок регистрации электрически соединен с акселерометром, акселерометр выполнен с возможностью закрепления на микроинструменте и передачи сигнала о характеристиках тремора испытуемого на блок регистрации, при этом устройство выполнено с возможностью работы под контролем увеличительного прибора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве увеличительного прибора используется смартфон, при этом корпус снабжен планками, изменяющими положение в горизонтальной и вертикальной плоскостях, выполненными с возможностью фиксации смартфона.