Способ определения оптимальных размеров и конфигурации головной части микроскопа, основанный на оценке индивидуальных антропометрических параметров оператора Российский патент 2023 года по МПК A61B90/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к медицине, и может быть использовано при проведении врачебных процедур, предусматривающих применение операционного микроскопа.

Уровень техники

На сегодняшний день известны различны устройства и, соответственно, особенности их применения, в той или иной мере облегчающие работу врача-оператора операционного микроскопа. Так, по патенту Российской Федерации на изобретение №2331383 известно устройство для управления операционным микроскопом «МАРИКА», позволяющее хирургу управлять микроскопом без помощи рук, что в известной степени способствует более удобному для врача-оператора ходу операции, поскольку позволяет хирургу не прерывать в вынужденном порядке операцию, чтобы перенести кисть руки или кисти обеих рук на рукоятку или рукоятки управления микроскопом.

Известно также устройство по европейскому патенту на изобретение ЕР 1738710, в котором предусмотрено наличие коммутатора, позволяющего хирургу управлять микроскопом с помощью рта, не прерывая манипуляций руками в операционной области.

Недостатками данных устройств для облегчения работы врача-оператора, и, соответственно, особенностей их применения, является их узкая направленность, обеспечивающая лишь то, что при выполнении определенных конкретных манипуляций с микроскопом врач-оператор сможет их осуществить без отрыва от непосредственного врачебного действия. Такие устройства и особенности их применения в целом не призваны способствовать более эргономичному использованию операционного микроскопа, поскольку не предусматривают систему действий и правил для функционально и физиологически правильного способа использования операционного микроскопа, применение которого могло бы поспособствовать тому, чтобы врач-оператор работал в комфортных для его самочувствия и здоровья условиях.

Из уровня техники на данный момент неизвестно существование действенных способов определения оптимальных размеров и конфигурации головной части микроскопа в соответствии с параметрами оператора. Литературы и научных исследований, касающихся применения операционного микроскопа с точки зрения эргономики, крайне мало. Как правило, речь идет только о рекомендациях, которые носят общий характер.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка способа определения оптимальных размеров и конфигурации головной части микроскопа, основанного на оценке индивидуальных антропометрических параметров оператора, который позволит работать врачу-оператору в комфортных с точки зрения эргономических требований условиях. Применение способа позволит сохранять работоспособность врача-оператора в течение более длительного периода времени, позволит избежать необратимых последствий для его здоровья, связанных с неправильной позой работы и не эргономичным расположением деталей применяемого операционного микроскопа.

Осуществление изобретения

Указанный технический результат достигается следующим. Как правило, лечение с применением операционного микроскопа проводится врачом в позиции сидя, особенно если оно осуществляется с использованием увеличения. Для такого положения вещей есть целый ряд причин, но основная связана с тем, что процесс лечения занимает довольно большое количество времени, и врач при этом должен быть относительно неподвижным. Врач работает много часов в день и, соответственно, необходимо работать в позиции, которая позволит совершать как можно меньше лишних движений, экономить энергию и, следовательно, снижать утомляемость и уровень стресса. Сидеть при этом правильно означает сидеть в «эргономически выгодной, нейтральной позиции», такая правильная позиция представлена на фиг. 1. Врач в этом случае занимает положение на 12 часов относительно пациента, то есть - за его головой. Такое положение является наиболее оптимальным и универсальным при работе с микроскопом, поскольку обеспечивает нейтральную позицию для оператора и ассистента при любых видах манипуляций и возможность работы как в четыре, так и в шесть рук, то есть как с одним, так и с двумя ассистентами.

На фиг. 2 обозначены основные углы наклона тела и сгиба суставов, которые позволяют человеку принять нейтральную позицию и соблюсти естественные изгибы позвоночника, обозначены также шейный лордоз 1, грудной кифоз 2, поясничный лордоз 3. Тело должно находится в вертикальном положении вдоль центральной оси перпендикулярно полу с опорой на сиденье стула. Руки расслаблены, согнуты в локтях и лежат на подлокотниках, слегка отведены от корпуса, не прижаты к телу. Голова не наклонена вперед или наклонена минимально, взгляд направлен вперед и вдаль. Также не допускаются статические наклоны корпуса и шеи в правую или левую сторону от центральной оси тела. Угол наклона головы (4): 0-15°. Угол отклонения плеча (5): 0-20°. Угол предплечья (6): 0-10°. Угол разгибания бедра (7): 90-120°. Угол разгибания колена (8): 90-120°. Угол оси тела к плоскости пола (9): 90°. Соблюдение таких углов и положения тела позволяет снизить опасную разрушительную нагрузку на опорно-двигательный аппарат до минимальных значений. Любые отклонения от указанной позиции, связанные с ограничениями, вызванными не оптимальным техническим обеспечением врача (не соответствующее кресло пациента, врачебный стул, система увеличения) и/или его вредной привычкой, приводят к «вынужденной позиции», которая опасна для здоровья и может привести к необратимым нарушениям опорно-двигательного аппарата.

Нередко встречается ситуация во врачебных коллективах, когда один врач выше другого, особенно когда врачи разного пола, но работают они в одном кабинете и на одном оборудовании. Поэтому для наглядности возьмем двух человек разного роста, например, 175 см и 160 см, схематичные фигуры которых представлены на фиг. 3. Очевидно, что параметры оборудования и его настройки, для человека с ростом 160 см, будут существенным образом отличаться от таковых для человека с ростом 175 см. Видно, что на положение врача в пространстве по вертикали в основном влияют длина тела и длина голени. И если стул не так уж и сложно отрегулировать по высоте и углу наклона сиденья, а также положению подлокотников, то с микроскопом все обстоит сложнее. Да, положение головной части микроскопа в пространстве легко меняется за счет пантографа. Но оказывается, что комфортные для работы размеры самой головной части микроскопа и ее конфигурация непосредственно связаны с высотой лицевого черепа, длиной шеи, плеча, а также длины предплечья и ладони, поскольку именно эти параметры определяют в пространстве положение точки 0, которая будет являться отправной в наших расчетах.

Точка 0 - это условная точка в пространстве, в которой под прямым углом пересекается взгляд оператора, направленный горизонтально вперед и вдаль, и ось объектива микроскопа. Примем ее за исходную точку, из которой рассчитывается вертикальный и горизонтальный размеры пути изображения от плоскости фокуса, до глаз врача-оператора. На фиг. 4 имеется схема относительно осей координат, исходящих из точки 0: возникает несколько вполне определенных отрезков или расстояний. Отрезок 0-Ос, находящийся на горизонтальной оси х, - это расстояние от глаз оператора Ос до точки 0. Этот отрезок зависит от суммы длин проекции плеча Сх, предплечья dx и участка от запястья до середины ладони е на эту ось за вычетом отрезка G, который является расстоянием от оси тела до глаза оператора. Отрезок 0-Fph, находящийся на вертикальной оси у, - это расстояние от точки 0 до точки Fph (Focus plane hand), которая находится в плоскости фокуса Fp (Focus plane) в пересечении оси, проходящей через середину ладони оператора, с осью объектива. Длина этого отрезка определяется суммой длин проекций на ось у высоты лицевого черепа а, шеи b, плеча Су, за вычетом вертикальной составляющей предплечья согнутого в локте dy. Отрезок Fph-Ob - это рабочее расстояние, от объекта наблюдения в плоскости фокуса до края объектива 14. Данный отрезок определяет вертикальный размер рабочей зоны, в которой и происходят все манипуляции. Отрезок 0-Ob - это расстояние от точки 0 до края объектива. Отрезками 0-Ob и 0-Ос определяется область пространства, в которой мы должны разместить головную часть микроскопа, сконфигурированного таким образом, чтобы край окуляров находился в точке Ос, а край объектива - в точке Ob, тогда врач-оператор будет находиться в эргономически выгодной, нейтральной позиции и сможет соблюдать ее в процессе работы.

Применим описанный выше подход к расчету конкретных параметров эргономический выгодной, нейтральной позиции врача-оператора и конфигурации на их основе соответствующей головной рабочей части микроскопа. В качестве примера, возьмем человека среднего роста высотой 175 см, пропорционального телосложения. Расположим его сидя согласно схеме, рассмотренной выше. Как видно из фиг. 5, отрезок О-Fph вычисляется следующим образом:

0-Fph=(a+b+C_y) - d_y=

=(11+8+37) - 8=48 см;

и будет равен 48 см.

Отрезок 0-Ос вычисляется следующим образом:

0-Ос=(e+d_x+с_х) - о=(5+26+11) - 14=28 см;

и будет равняться 28 см.

Все компоненты рабочей части микроскопа имеют свои физические и оптические параметры. Эти параметры могут отличаться в зависимости от модели и производителя, но тем не менее, сами эти компоненты обязательно присутствуют, в том или ином виде. На фиг. 6 представлена принципиальная схема базовой головной рабочей части микроскопа Zeiss OPMI pico. Объектив 10 - первая система линз микроскопа. Объектив может быть с фиксированным фокусным расстоянием, например, 250 мм, или в варианте вариоскопа с изменяемым фокусным расстоянием, например, 200-300 мм. Корпус головной части микроскопа 11, в котором находится вторая система линз, отвечающая за изменения фактора увеличения и формирование стереоизображения. Переключатель фактора увеличения может быть выполнен в виде ступенчатого переключателя типа Галилей или бесступенчатого типа zoom. Бинокуляр 12, который передает стереоизображение, формируемое в корпусе микроскопа, распределяя его на два глаза в отдельности. Окуляры 13 - это последняя система линз микроскопа, находящаяся непосредственно перед глазами оператора. Оценим базовую конфигурацию микроскопа, используя такой же подход к измерениям, который мы применили для оценки параметров оператора. Для этого обратимся к схеме на фиг. 7. Чтобы достичь максимального горизонтального размера нужно чтобы инклинация окуляров была равной нулю, то есть окуляры должны быть расположены строго под 90° к оси объектива. Расположив головную часть в осях координат, так что ось у совпадает с осью объектива, а ось х с осью окуляров, мы легко получаем размеры искомых отрезков. Поскольку в данный момент оцениваются параметры микроскопа, а не человека, точки и плоскости имеют соответствующие индексы. Итак, мы получаем отрезок от точки 0 до края окуляров Ост (Ocular of microscope, обозначен как 19), который будет равен:

0-Ocm=13,5 см

Отрезок от точки 0 до фокусной плоскости объектива микроскопа Fp будет равен:

0-Fp=(0-Ob)+(Ob-Fp)=45 см,

где Ob-Fp=28 см

Теперь можно легко сопоставить параметры эргономически выгодной нейтральной позиции оператора и базовой конфигурации головной части микроскопа. Очевидно, что 0-Fph оператора больше, чем соответствующий О-Fp микроскопа на 3 см и 0-Ос оператора больше, чем 0-Ост микроскопа на 14,5 см. То есть, вертикальный размер и оптические параметры объектива, а также горизонтальный размер головной части микроскопа являются явно недостаточными. Таким образом, можно утверждать, что базовая конфигурация микроскопа не может эксплуатироваться врачом-оператором среднего роста (175 см), с точки зрения эргономики его работы. И даже более того, способна нанести вред его здоровью. Оператору придется постоянно наклонять тело и голову вперед, чтобы дотянуться до окуляров и компенсировать недостаток горизонтального размера микроскопа, что неизбежно будет вызывать избыточное напряжение мышц и связок спины и шеи. Также придется поднимать кисти рук выше нейтрального положения, чтобы компенсировать недостаток вертикального размера.

Следовательно, необходимо расширить базовую конфигурацию микроскопа таким образом, чтобы привести параметры микроскопа в соответствие с параметрами нейтральной позиции оператора. Для этого нужно добавить компоненты, которые помогут увеличить горизонтальный и вертикальный размеры. В нашем случае такими компонентами будут:

1. Вариоскоп V100 200-300 мм.

2. MORA интерфейс

3. Делитель луча 50/50

4. Бинокуляр f170, 180°

5. Окуляры 10х

Соответствующая схема такой конфигурации микроскопа приведена на фиг. 8. На схеме видно, что вертикальный размер 0-Оb изменился незначительно, но оптика вариоскопа увеличивает расстояние Ob-Fp до 31 см, то есть мы получаем искомые 48 см по параметру О-Fp. Горизонтальный размер 0-Ост увеличился на 14 см, относительно базовой конфигурации за счет интерфейса MORA, делителя и окуляров 10х, что позволило получить 0-Ост равный 27,5 см, что очень близко к оптимальным параметрам. То есть, изменение и расширение конфигурации микроскопа за счет перечисленных выше опций, не только и не столько повышает функционал микроскопа, как позволяет достичь параметров, которые диктуют нам эргономика и антропометрические данные оператора. Более того, не так важно, за счет каких опций будут достигнуты искомые параметры нейтральной позиции, как важно то, чтобы они были соблюдены.

Выше мы описали концептуальный подход к решению задачи сборки оптимальной конфигурации микроскопа в зависимости от физических параметров оператора. Ниже разберем практическую методику проведения измерений, позволяющую получить необходимые данные. Для проведения измерений мы использовали ровную стену с закрепленной на ней магнитной доской, на которой можно делать отметки и располагать линейки. Боком к стене, под углом 90° устанавливается врачебный стул с подлокотниками. Мы использовали стул A-dec 521. Чтобы точно переносить параметры оператора на доску нами был сконструирован специальный измерительный стенд (фиг. 9). Стенд представляет из себя жесткую металлическую раму, которая располагается строго вертикально и параллельно магнитной доске. На раме с помощью подвижных кареток установлен лазерный нивелир, который позволяет с точностью до 5 мм на 1 метр расстояния проводить измерения и определять вертикальные и горизонтальные плоскости. Нивелир на каретке перемещается в плоскости рамы стенда и, соответственно, параллельно поверхности на которой проводятся измерения. Перед началом измерений необходимо верно найти нейтральную позицию. Для этого врач-оператор должен сесть на установленный стул и расположить предплечья с раскрытой ладонью на подлокотниках. Найти баланс тела так, чтобы не чувствовать отклонений ни в какую из сторон (право, лево, вперед, назад). Почувствовать опору на спинку стула в области поясницы. Далее в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 2, с помощью измерительного стенда, проверяются вертикальность оси тела и соответствующие углы отклонений головы, плеча, предплечья, бедра (фиг. 10). При необходимости проводится корректировка высоты и угла наклона сиденья, регулируются подлокотники, поясничная поддержка. После того как нейтральная позиция найдена, и оператор подтвердил ее комфортность, проводятся непосредственные измерения. В процессе измерений нельзя перемещаться и как-либо менять позицию. Для точного переноса проекций необходимых точек на доску, лазерный нивелир аккуратно перемещается в плоскости стенда так, чтобы параллельность системы измерения не нарушалась. Начинают с установки перекрестия нивелира в области переносицы оператора по оси прямого взгляда глаз (фиг. 11). Во избежание попадания луча лазера в глаза, их рекомендуется закрыть. На доске делается отметка, это будет точка Ос. Затем нивелир строго горизонтально перемещается до того момента, пока вертикальная плоскость лазерного луча не пройдет через середину ладони, в точке перекрестия ставится отметка. Это будет точка 0. После этого нивелир опускается строго вертикально, пока перекрестие не окажется посередине ладони, после чего необходимо убрать ладонь для беспрепятственного прохождения луча. На доске в месте перекрестия ставится отметка. Это будет точка Fph. Таким образом мы получили три точки - 0, Ос и Fph. Теперь необходимо замерить длину отрезков 0-Ос и О-Fph. Это и будут искомые нами данные, которые отражают нейтральную позицию оператора и определят оптимальные размеры и конфигурацию головной части микроскопа.

Мы оценили некоторые конфигурации наиболее популярных микроскопов различных производителей по таким критически важным параметрам, как вертикальный (O-Fp) и горизонтальный размеры (0-Ocm). Измерения проводились следующим образом: головная часть микроскопа устанавливалась над ровной поверхностью, на которую осуществляли фокусировку микроскопа на максимальном увеличении. После фокусировки проводили измерения до уровня середины окуляров при инклинации бинокуляров равной 0°. Таким образом получали значение О-Fp. В случае наличия в конфигурации вариоскопа фокусировку осуществляли в двух крайних положениях регулятора фокусного расстояния и замеряли оба расстояния. Затем измеряли длину отрезка от края окуляров, с полностью выдвинутыми орбитальными упорами, до проекции центральной оси объектива. Проекцию осей уточняли с помощью лазерного нивелира. Измерения проводили с помощью стандартной линейки и угольника.

В таблицах представлены конфигурации, которые доступны на отечественном рынке для приобретения. Исходя из приведенных данных очевидно, что базовые конфигурации микроскопов всех основных производителей по параметру 0-Ocm меньше, чем необходимо для человека среднего роста и средних пропорций. У некоторых производителей есть опции, которые позволяют улучшить данный параметр. К таким опциям относятся экстендеры (прямые и угловые), проставочные кольца, различные бинокуляры, окуляры и так далее. Наиболее широкий набор опций предлагает фирма Zeiss. Часть опций, такие как MORA интерфейс или раскладные бинокуляры, являются эксклюзивными для микроскопов данного производителя, но позволяют достичь максимальных значений по параметру 0-Ocm среди всех представленных производителей. Данные обстоятельства необходимо учитывать при выборе микроскопа и его конфигурации. Что касается вертикального размера, то тут ограничения прежде всего связаны с наличием в конфигурации объектива с фиксированным фокусным расстоянием. Как правило, все современные микроскопы комплектуются вариоскопом с изменяемым фокусным расстоянием от 200 мм до 300 мм. Наиболее современные вариоскопы обладают фокусным расстоянием более 400 мм. Таким образом, микроскопы, укомплектованные такой системой, удовлетворяют практически любые требования по параметру О-Fp и являются более предпочтительными к приобретению.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой общую принципиальную схему работы врача-стоматолога с операционным микроскопом.

Фиг. 2 представляет собой схему основных углов наклона тела и сгиба суставов, которые позволяют человеку принять нейтральную позицию и соблюсти естественные изгибы позвоночника.

Фиг. З представляет собой схему сопоставления положений двух стоматологов-операторов с разным ростом относительно операционного микроскопа.

Фиг. 4 представляет собой схему ключевых осей, точек и плоскостей в пространстве, определяющих оптимальные параметры микроскопа.

Фиг. 5 представляет собой схему вычисления антропометрических параметров человека ростом 175 см.

Фиг. 6 представляет собой схему основных деталей головной рабочей части микроскопа.

Фиг. 7 представляет собой размеры и параметры базовой конфигурации головной части микроскопа Zeiss OPMI pico.

Фиг. 8 представляет собой схему конфигурации головной части микроскопа оптимальной для врача ростом 175 см.

Фиг. 9 представляет собой изображение специально сконструированного измерительного стенда с лазерным нивелиром на подвижной каретке.

Фиг. 10 представляет собой изображение оценки вертикальной оси тела.

Фиг. 11 представляет собой изображение определения точки Ос.

Промышленная применимость

Способ может найти широкое применение в сфере профессиональной медицины с целью сохранения здоровья и работоспособности врачей-операторов.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано при проведении процедур, предусматривающих применение операционного микроскопа. Применение способа позволит сохранять работоспособность врача-оператора в течение более длительного периода времени, позволит избежать необратимых последствий для его здоровья, связанных с неправильной позой работы и неэргономичным расположением деталей применяемого операционного микроскопа. Технический результат достигается применением расчетов на стенде. 11 ил., 6 табл.

Способ определения оптимальных размеров и конфигурации головной части микроскопа, основанный на оценке индивидуальных антропометрических параметров оператора, отличающийся тем, что применяется нейтральная позиция, при которой тело врача-оператора находится в вертикальном положении вдоль центральной оси перпендикулярно полу с опорой на сиденье стула, руки расслаблены, согнуты в локтях и лежат на подлокотниках, слегка отведены от корпуса, не прижаты к телу, голова не наклонена вперед, взгляд направлен вперед и вдаль, а также формула для расчета: с точкой 0 - условной точкой в пространстве, в которой под прямым углом пересекается взгляд оператора, направленный горизонтально вперед и вдаль, и ось объектива микроскопа с отрезком 0-Ос, находящимся на горизонтальной оси х и представляющим собой расстояние от глаз оператора до точки 0 как сумму длин проекции плеча (сх), предплечья (dx) и участка от запястья до середины ладони (е) на эту ось за вычетом отрезка G, который является расстоянием от оси тела до глаза оператора, с отрезком 0-Fph, находящимся на вертикальной оси у и представляющим собой расстояние от точки 0 до точки Fph (Focus plane hand), которая находится в плоскости фокуса Fp (Focus plane) в пересечении оси, проходящей через середину ладони оператора, с осью объектива, причем длина отрезка 0-Fph определяется суммой длин проекций на ось у высоты лицевого черепа (а), шеи (b), плеча (су) за вычетом вертикальной составляющей предплечья, согнутого в локте (dy); способ состоит из следующих этапов: на ровную стену закрепляется магнитная доска, на которой делают отметки и располагают линейки, боком к стене под углом 90° устанавливается врачебный стул с подлокотниками, измерительный стенд в виде располагаемой строго вертикально и параллельно магнитной доске жесткой металлической рамы, причем на указанной раме с помощью подвижных кареток установлен лазерный нивелир для проведения измерений и определения вертикальных и горизонтальных плоскостей, после чего врач-оператор садится на указанный врачебный стул и располагает предплечья с раскрытой ладонью на подлокотниках, находит баланс тела так, чтобы не чувствовать отклонений ни в какую из сторон (право, лево, вперед, назад) и почувствовать опору на спинку стула в области поясницы, с тем чтобы занять нейтральную позицию, далее проводятся непосредственные измерения и на доске делается отметка точки Ос, точки 0, точки Fph, после этого проводится замер длин отрезков 0-Ос и O-Fph для определения оптимальных размеров и конфигурации головной части микроскопа.