Держатель маркеров для подготовки и выполнения хирургической операции с использованием технологии смешанной реальности Российский патент 2023 года по МПК A61B34/10 A61B34/20 

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для подготовки и выполнения хирургических операций с использованием технологии смешанной реальности.

Изобретение может быть использовано, например, в реконструктивной хирургии при выполнении реконструктивно-пластических операций для устранения обширных костных дефектов и дефектов окружающих мягких тканей, возникших после удаления злокачественных и доброкачественных новообразований, в результате травм и деформаций различного генеза, а также для операций на мозге с целью увеличения точности и упрощения проведения операции.

Технология смешанной реальности (Mixed reality, MR) дает возможность наблюдателю видеть виртуальные объекты в контексте реального мира. Современный подход позволяет проецировать изображение этих объектов перед глазами пользователя в виде голограммы, используя для этого так называемые очки смешанной реальности. Это позволяет наблюдателю взаимодействовать в реальном времени между различными материальными и виртуальными объектами, как будто они существуют в единой среде. Используя эту особенность, можно повысить производительность и качество услуг во многих областях, в частности в хирургии.

В настоящее время опубликовано немало научных трудов по использованию технологии смешанной реальности в разных областях медицины: нейрохирургии, кардиологии, урологии, пластической хирургии и других.

Очевидно, что при использовании технологии MR стоит задача обеспечения точного позиционирования виртуальных объектов относительно реальных с точки зрения пользователя. Для решения этой задачи используется система оптического трекинга.

Трекинг с использованием специальных маркеров удобен тем, что они проще распознаются камерой и дают ей более жесткую привязку к месту для виртуальной модели. Такая технология гораздо надежнее «безмаркерной» и работает практически без сбоев.

Держатель маркеров (в дальнейшем - держатель или ДМ) занимает важное место в составе оборудования, необходимого для выполнения хирургических операций с использованием очков смешанной реальности (например, Microsoft HoloLens).

ДМ служит для фиксации маркеров, в том числе оптического маркера, на теле пациента. Это позволяет при использовании технологии смешанной реальности точно совместить реальный и виртуальный объект - тело пациента и виртуальную 3D-модель (голограмму) пораженного органа.

Оптический маркер, закрепленный на держателе, служит для привязки виртуальной 3D-модели индивидуальных анатомических структур пациента к его реальным органам. На маркер нанесено уникальное изображение, созданное таким образом, чтобы камера, встроенная в очки, смогла его распознать и определить ориентацию и положение маркера.

Наиболее близким по технической сущности является держатель маркера для выполнения хирургической операции на голове пациента с использованием смешанной реальности [патент RU 210665, опубликован 25.04.2022]. Полезная модель относится к медицине, а именно к устройствам для выполнения хирургических операций на голове пациента с использованием технологии смешанной реальности. Сущность полезной модели заключается в том, что держатель маркера для выполнения хирургической операции на голове пациента с использованием технологии смешанной реальности включает корпус, образованный двумя дугами, соединенными одним концом с носоупором, и два узла, закрепленных на свободных концах дуг с возможностью продольного перемещения, при этом корпус содержит площадку для крепления маркера и не менее трех рентгеноконтрастных меток, узлы включают ушные оливы, имеющие возможность поперечного перемещения, таким образом, держатель обеспечивает возможность настройки размера и фиксации на голове пациента в трех точках: с опорой на ткани над носовой костью черепа и в наружных слуховых проходах. В свободных концах дуг держателя маркера могут быть выполнены сквозные продолговатые отверстия, а каждый узел содержать болт с двумя гайками, продетый в продолговатое отверстие, на конце болта зафиксирована ушная олива, а гайки расположены по обе стороны дуги.

На подготовительном этапе держатель без о-маркера надевают на голову пациента и настраивают его размер, добиваясь надежной фиксации путем продольного перемещения узлов по дугам и поперечного перемещения олив, затем фиксируют в необходимом положении при помощи гаек. Проводят компьютерную томографию (КТ) головы с надетым держателем, при этом важно, чтобы корпус держателя помещался целиком, т.к. в него встроены рентгеноконтрастные метки, необходимые для последующего совмещения виртуальных анатомических структур с о-маркером. Рабочая станция томографа формирует трехмерное растровое изображение индивидуальной анатомии пациента. Используя полученные данные, выполняют сегментацию (построение контура) и трехмерную реконструкцию (построение трехмерной модели) всех анатомических структур. На КТ отмечают три рентгеноконтрастные метки. Так как заранее известно смещение о-маркера относительно меток держателя, программа может точно привязать положение анатомических структур к положению о-маркера.

Держатель с прикрепленным о-маркером надевают на голову пациента перед выполнением хирургической операции, при этом используют ту же настройку узлов, которая была сделана при проведении КТ. В результате этого держатель занимает в точности то же место, которое было при проведении КТ. Приложение очков смешанной реальности распознает о-маркер и определяет его положение в пространстве. Виртуальные 3D-модели анатомических структур автоматически выравниваются по о-маркеру, таким образом, совмещаясь с головой пациента.

Основным недостатком описанного устройства является невозможность его использования для выполнения хирургической операции на других частях тела, кроме головы, то есть отсутствие универсальности. Также, определенные сложности при проведении компьютерной томографии с надетым держателем, вызывает конструкция и размер устройства, так как выступающие части держателя могут помешать или воспрепятствовать движению подвижных частей томографа.

Сложность с совмещением в одном устройстве рентгеноконтрастного маркера (в дальнейшем - р-маркера) и оптического маркера (в дальнейшем - о-маркера) состоит в том, что они используются на разных этапах подготовки и выполнения хирургической операции с использованием технологии смешанной реальности, выполняют разные функции и к ним предъявляются разные требования.

Р-маркер задействован на этапе подготовки к проведению хирургической операции, а именно при проведении компьютерной томографии. Р-маркер (поз. 8 на фиг. 5) - это устройство, включающее корпус с не менее чем тремя рентгеноконтрастными метками (в дальнейшем - р-метками), не лежащими на одной прямой, и изготовленными из рентгенопозитивных контрастных материалов (например, стали). Предпочтительно, чтобы корпус р-маркера был изготовлен из рентгенонегативных контрастных материалов, с минимальным поглощением рентгеновского излучения (например, полиамида). Конструкция устройства должна позволять разнесение р-меток в пространстве для достижения большей точности определения положения о-маркера относительно тела пациента, а, следовательно, и большей точности совмещения реального и виртуального объектов. При этом устройство должно быть компактным, чтобы не создавать помех работе томографа.

О-маркер (поз. 10 на фиг. 6) применяется на этапе выполнения хирургической операции с использованием технологии смешанной реальности. Он, как это было сказано выше, задействован в системе оптического трекинга, и предназначен для привязки к месту виртуальной модели. Важными параметрами для о-маркера являются его тип и место размещения для лучшего распознавания очками. Может возникнуть необходимость такого расположения о-маркера, когда он достаточно сильно отдален от тела пациента, но при этом не перекрывает операционное поле и не мешает хирургу.

Держатель маркеров должен быть компактным и иметь возможность надежно фиксироваться на разных частях тела, в непосредственной близости от будущей оперируемой области. Конструктивное исполнение и принцип функционирования средства фиксации держателя непосредственно влияет на желаемые параметры устройства.

Как видно из описания ближайшего аналога, в нем держатель маркеров совмещен с р-маркером, а о-маркер выступает в качестве отдельного устройства. Необходимость разнесения в пространстве р-меток неизбежно увеличивает размер держателя, что может сказаться на доступности операционного поля на этапе хирургической операции. В заявляемом устройстве держатель отделен от р-маркера, что позволяет более гибко подходить к выбору конструкции маркеров.

Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение компактности устройства и улучшение, таким образом, условий подготовки и выполнения хирургической операции, а также достижение универсальности применяемого держателя, то есть возможности его фиксации на разных частях тела.

Сущность изобретения заключается в том, что держатель маркеров для подготовки и выполнения хирургической операции с использованием технологии смешанной реальности включает корпус с размещенной на нем площадкой для крепления маркеров, и средство фиксации держателя на теле пациента, для обеспечения фиксации используют силу магнитного притяжения между двумя взаимодействующими элементами, средство фиксации содержит по меньшей мере одну пару таких элементов, где хотя бы один элемент из пары является источником магнитного поля, при этом один элемент из пары обеспечивает возможность его фиксации на теле пациента, а второй зафиксирован на держателе.

Следующие признаки характеризуют изобретение в частных случаях его выполнения:

- один из элементов пары обеспечивает возможность фиксации на теле пациента при помощи съемного средства, например, временного клея;

- корпус держателя представляет собой пластину, форма которой обеспечивает возможность ее прилегания к телу пациента;

- корпус держателя содержит три опоры, а средство фиксации размещено в пространстве между ними;

- корпус держателя содержит три опоры, концы которых на поверхности тела пациента формируют вершины треугольника, при этом средство фиксации размещено на конце каждой опоры;

- корпус держателя содержит четыре опоры с размещенным на концах двух из них средством фиксации, концы опор на поверхности тела пациента формируют вершины выпуклого четырехугольника, а средство фиксации размещено на противоположных вершинах;

- корпус держателя выполнен из прозрачного в видимом спектре материала;

- источником магнитного поля одного элемента из пары является постоянный магнит;

- источником магнитного поля одного элемента из пары является электромагнит;

- источником магнитного поля одного элемента из пары является магнит, а другого – электромагнит;

- источником магнитного поля обоих взаимодействующих элементов пары является магнит;

- на наружную поверхность взаимодействующих элементов нанесен рельеф, включающий совпадающие по размеру и форме выступы и впадины, обеспечивающие соединение элементов по принципу шип-паз.

Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет использования силы магнитного притяжения для фиксации держателя маркеров на теле пациента и состоит в расширении функциональных возможностей устройства, обеспечении его компактности и универсальности, повышении надежности фиксации на сложных поверхностях, простоты и удобства эксплуатации и улучшении, таким образом, условий подготовки и выполнения хирургической операции, увеличении доступности операционного поля.

Заявляемый держатель позволяет использовать маркеры разных размеров и форм, и устанавливать их в разном положении, в зависимости от требований к КТ-сканированию и положению пациента на операционном столе.

На прилагаемых к описанию чертежах дано:

- держатель маркеров с тремя парами взаимодействующих элементов (фиг. 1-2);

- держатель маркеров с двумя парами взаимодействующих элементов (фиг. 3-5, 9 и 10);

- держатель маркеров с одной парой взаимодействующих элементов (фиг. 6-8);

- способ дополнительной фиксации элементов на теле пациента (фиг. 11);

- держатель маркеров с р-маркером (фиг. 12);

- держатель маркеров с о-маркером (фиг. 13-14).

Держатель маркеров 1 (в дальнейшем - держатель) для подготовки и выполнения хирургической операции с использованием технологии смешанной реальности включает корпус 2 с размещенной на нем площадкой 3 для крепления маркеров и средство фиксации 4 держателя 1 на теле пациента 5. Предпочтительно, чтобы корпус 2 и площадка 3 держателя 1 были изготовлены из рентгенонегативных контрастных материалов, с минимальным поглощением рентгеновского излучения (например, полиамида).

Для обеспечения фиксации держателя 1 на теле пациента 5 используют силу магнитного притяжения между двумя взаимодействующими элементами, средство фиксации содержит по меньшей мере одну пару таких элементов, при этом один элемент из пары обеспечивает возможность его фиксации на теле пациента 5, а второй зафиксирован на корпусе 2. На фиг. 1 показан держатель с тремя парами взаимодействующих элементов, пример одной из пар обозначен поз. 6.

Для обеспечения магнитного взаимодействия между этими элементами, они должны быть изготовлены из магнитных материалов, например, ферромагнетиков, и, хотя бы один элемент из пары должен являться источником магнитного поля. Это может быть, например, постоянный магнит или электромагнит. Возможно разное сочетание взаимодействующих элементов в парах, например:

- магнитомягкий материал+постоянный магнит;

- магнитомягкий материал+электромагнит;

- постоянный магнит+постоянный магнит;

- постоянный магнит+электромагнит и т.п.

Для фиксации держателя 1, в зависимости от его конструкции и места установки, используют одну или несколько пар взаимодействующих элементов, которые оппозитно размещают на корпусе 2 и теле пациента 5, то есть один элемент из пары фиксируют на теле пациента 5, а второй - на корпусе 2 так, чтобы при приложении держателя 1 к телу 5 положение взаимодействующих элементов совпало (фиг. 2).

В одном из вариантов реализации заявляемого изобретения, на наружную поверхность взаимодействующих элементов может быть нанесен рельеф, включающий совпадающие по размеру и форме выступы и впадины, обеспечивающие соединение элементов по принципу шип-паз. За счет этого может быть достигнута более высокая точность позиционирования.

При необходимости увеличения надежности фиксации, средство фиксации 4 может дополнительно включать временный клей или двусторонний скотч, нанесенный на корпус 2 держателя маркеров 1. Такой вариант реализации устройства может применяться, если корпус 2 держателя 1 представляет собой плоскую или изогнутую пластину, форма которой обеспечивает возможность плотного прилегания к телу пациента 5 (например, как это показано на фиг. 3-6).

Указанные пластины могут быть универсальными и иметь разные типоразмеры или изготовленными персонально, с учетом уникальных индивидуальных анатомических особенностей каждого пациента.

Возможны варианты конструктивного исполнения держателя маркеров 1, включающие разную форму и количество опор, а также разное количество пар взаимодействующих элементов. Например, корпус 2 держателя 1 может содержать три опоры, в пространстве между которыми размещено средство фиксации 4. В этом случае предпочтительно, чтобы форма взаимодействующих элементов предотвращала возможное вращение держателя 1 (фиг. 7, 8).

Возможен вариант исполнения корпуса 2 держателя 1, когда он содержит три опоры, концы которых на поверхности тела пациента 5 формируют вершины треугольника, при этом средство фиксации 4 размещено на конце каждой опоры (фиг. 1, 2).

Возможен вариант исполнения корпуса 2 держателя 1, когда он содержит четыре опоры с размещенным на концах двух из них средством фиксации 4, концы опор на поверхности тела пациента 5 формируют вершины выпуклого четырехугольника, а средство фиксации 4 размещено на противоположных вершинах (фиг. 9, 10).

Для фиксации элементов средства 4 на корпусе 2 могут быть использованы любые виды разъемных или неразъемных соединений, например, свинчивание, клепка, запрессовка, склеивание и т.п.

Для фиксации элементов средства 4 на теле пациента 5 преимущественно используют неинвазивные способы соединения, например, склеивание при помощи двустороннего скотча либо временного клея, нанесенного на элемент и/или тело 5. Для увеличения надежности фиксации элементов на теле 5, их можно дополнительно зафиксировать при помощи пленки 7 и временного клея, нанесенного между ней и телом пациента 5 (фиг. 11). Это не исключает возможности использования, при необходимости, инвазивных хирургических способов крепления элементов, например, свинчивание с костью.

Таким образом, держатель маркеров 1 фиксируют на любой части тела пациента 5. Маркеры крепят к площадке 3 держателя 1 при помощи разъемного, например, резьбового соединения.

Для выполнения хирургической операции с использованием технологии смешанной реальности необходима предварительная подготовка.

Элементы пар средства фиксации 4 размещают и фиксируют на теле пациента 5 до проведения КТ, как это было описано выше, и не удаляют до окончания хирургической операции. Для позиционирования элементов на теле 5 используют предварительную разметку, шаблон или специальное устройство. Способ позиционирования элементов на теле 5 не важен для понимания сущности заявляемого технического решения, поэтому подробно не рассматривается.

На подготовительном этапе держатель 1 с р-маркером 8 фиксируют на теле пациента 5 при помощи взаимодействующих парных элементов на корпусе 2 и теле 5 (фиг. 12) и проводят компьютерную томографию (КТ) пораженной области, при этом р-маркер 8 должен помещаться в эту область целиком. Р-маркер 8 включает р-метки 9, необходимые для последующего совмещения виртуальных анатомических структур с о-маркером 10.

Рабочая станция томографа формирует трехмерное растровое изображение индивидуальной анатомии пациента 5. Используя полученные данные, выполняют сегментацию (построение контура) и трехмерную реконструкцию (построение трехмерной модели) всех анатомических структур, которые представляют интерес для хирурга в предстоящей операции. Далее, на основе полученных 3D-моделей, планируют предстоящую операцию.

Загружают полученные данные в программу для настройки визуализации и позиционирования о-маркера 10, затем на КТ отмечают рентгеноконтрастные метки 9. Так как заранее известно смещение держателя 1 относительно р-маркера 8 и о-маркера 10, программа может точно привязать положение анатомических структур к положению о-маркера 10.

Держатель 1 с прикрепленным о-маркером 10 стерилизуют и фиксируют на пациенте 5 перед выполнением хирургической операции в том же положении, в каком был держатель 1 при проведении КТ-сканирования.

Приложение очков смешанной реальности распознает о-маркер 10 и определяет его положение в пространстве. Виртуальные 3D-модели анатомических структур автоматически выравниваются по о-маркеру 10, таким образом совмещаясь с реальной анатомией пациента 5.

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для подготовки и выполнения хирургических операций с использованием технологии смешанной реальности. Держатель маркеров 1 для подготовки и выполнения хирургической операции с использованием технологии смешанной реальности включает корпус 2 с размещенной на нем площадкой 3 для крепления маркеров и средство фиксации 4 держателя на теле пациента 5. Для обеспечения фиксации используют силу магнитного притяжения между двумя взаимодействующими элементами. Средство фиксации содержит пару таких элементов 6, где хотя бы один элемент из пары является источником магнитного поля. Один элемент из пары обеспечивает возможность его фиксации на теле пациента. Второй элемент из пары зафиксирован на держателе. Корпус держателя содержит четыре опоры с размещенным на концах двух из них средством фиксации. Концы опор на поверхности тела пациента формируют вершины выпуклого четырехугольника. Средство фиксации размещено на противоположных вершинах. Достигается расширение функциональных возможностей устройства с обеспечением его компактности и универсальности, повышение надежности фиксации на сложных поверхностях, простота и удобство эксплуатации и улучшение, таким образом, условий подготовки и выполнения хирургической операции с увеличением доступности операционного поля. 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Держатель маркеров для подготовки и выполнения хирургической операции с использованием технологии смешанной реальности, включающий корпус с размещенной на нем площадкой для крепления маркеров и средство фиксации держателя на теле пациента, отличающийся тем, что для обеспечения фиксации используют силу магнитного притяжения между двумя взаимодействующими элементами, средство фиксации содержит по меньшей мере одну пару таких элементов, где хотя бы один элемент из пары является источником магнитного поля, при этом один элемент из пары обеспечивает возможность его фиксации на теле пациента, а второй зафиксирован на держателе, корпус держателя содержит четыре опоры с размещенным на концах двух из них средством фиксации, концы опор на поверхности тела пациента формируют вершины выпуклого четырехугольника, а средство фиксации размещено на противоположных вершинах.

2. Держатель маркеров по п. 1, отличающийся тем, что один из элементов пары обеспечивает возможность фиксации на теле пациента при помощи съемного средства, например временного клея.

3. Держатель маркеров по п. 1, отличающийся тем, что корпус держателя представляет собой пластину, форма которой обеспечивает возможность ее прилегания к телу пациента.

4. Держатель маркеров по п. 1, отличающийся тем, что источником магнитного поля одного элемента из пары является постоянный магнит.

5. Держатель маркеров по п. 1, отличающийся тем, что источником магнитного поля одного элемента из пары является электромагнит.

6. Держатель маркеров по п. 1, отличающийся тем, что источником магнитного поля одного элемента из пары является магнит, а другого - электромагнит.

7. Держатель маркеров по п. 1, отличающийся тем, что источником магнитного поля обоих взаимодействующих элементов пары является магнит.

8. Держатель маркеров по п. 1, отличающийся тем, что на наружную поверхность взаимодействующих элементов нанесен рельеф, включающий совпадающие по размеру и форме выступы и впадины, обеспечивающие соединение элементов по принципу шип-паз.