Аппаратно-программный комплекс для определения мест установки троакаров при лапароскопических операциях

Заявленная полезная модель относится к медицине, а именно к лапароскопической хирургии. Технический результат настоящей полезной модели заключается в том, что аппаратно-программный комплекс значительно увеличивает точность расчета и выбора мест установки троакаров при лапароскопических операциях, производит определение «болевой» области оперируемого органа (область органа пациента, являющаяся объектом операции), рассчитывает оптимальную область хирургического вмешательства, контролирует безопасность формируемого раневого канала. Технический результат достигается тем, что программно-аппаратный комплекс включает устройство ввода пространственных 3D данных, преимущественно 3D-дигитайзер (3D Digitizer), и устройство-решатель, состоящий из соединенных, либо раздельных устройств вывода видеоданных, преимущественно дисплей монитора, и вычисляющего устройства, преимущественно ПЭВМ; при этом в состав вычисляющего устройства входит трехмерная модель пациента, формируемая по данным томографического исследования, устройство согласования координат виртуальной и физической модели, включающее физические реперные указатели, устройство ввода исходных данных томографического обследования, аудиоустройство и блок решения мест установки троакаров, позволяющий определять область объекта операции, рассчитывать оптимальные траектории хирургического вмешательства, контролировать безопасность раневого канала, выбирать/рассчитывать области хирургического вмешательства.

Заявленная полезная модель относится к медицине, а именно к лапароскопической хирургии.

Известно, что качество исполнения лапароскопической операции во многом предопределяется правильностью выбора точек введения троакаров, поскольку положения этих точек варьируются в зависимости от конституционных и анатомических особенностей пациента. Рационально и правильно подобранные места установки троакаров, манипуляционных инструментов позволяют быстро, удобно, с минимальной травмоопасностью для пациента провести достаточно сложную лапароскопическую операцию

К настоящему времени опубликованы результаты большого количества работ по данному направлению, чтобы можно было сформулировать общие принципы введения манипуляционных троакаров. Все они опираются на опыт проведения лапароскопических операций и формулируются в виде теоретических положений и практических рекомендаций. К ним относятся рекомендации к взаимному расположению троакаров и инструментов, рекомендации по визуальному контролю введения троакаров, рекомендации к расстояниям между местом введения и операционным полем и др.

Сложившийся классический выбор точек введения манипуляционных инструментов исходит из возможностей современного уровня лапароскопической техники. Использование известного набора точек затрудняет работу хирурга при нетипичном, аномальном расположении объекта операции, оно достаточно травматично при проведении сочетанных операций, выполняемых на разных этажах брюшной полости и малого тогда одновременно, требуется от 9 до 16 точек введения, что увеличивает риск развития послеоперационных осложнений, снижает косметический эффект и удлиняет послеоперационный период.

Кроме того, существующие методики выбора точек установки троакаров при проведении лапароскопических операций опираются на ручные расчеты с использованием специальных линеек эндоскопических транспортиров, разметок на передней брюшной стенке пациента и построением воображаемых линий по специальным техникам (патент RU 2338481, опубликован 2008,11.20, МПК А61В 17/94, патент RU 2286742, опубликован 2006.11,10, МПК А61В 17/94, А61В 1/313).

К недостаткам существующих методик следует отнести: сложность определения местоположения оперируемого органа, невозможность прослеживания и контроля формируемого раневого канала при выборе мест установки троакара. Наличие многочисленных ручных расчетов значительно повышает сложность определения мест установки троакаров.

Технический результат настоящей полезной модели заключается в том, что аппаратно-программный комплекс значительно увеличивает точность расчета и выбора мест установки троакаров при лапароскопических операциях, производит определение «болевой» области оперируемого органа (область органа пациента, являющаяся объектом операции), рассчитывает оптимальную область хирургического вмешательства, контролирует безопасность формируемого раневого канала.

Технический результат достигается тем, что программно-аппаратный комплекс включав устройство ввода пространственных 3D данных, 3D-дигитайзер (3D Digitizer), и устройство-решатель, состоящий из соединенных, либо раздельных устройств вывода видеоданных, дисплей монитора, и вычисляющего устройства, выполненного с возможностью формирования трехмерной модели пациента по данным томографического исследования, устройство согласования координат виртуальной и физической модели, включающее физические реперные указатели,

устройство ввода исходных данных томографического обследования, аудиоустройство и блок решения мест установки троакаров.

На фиг.1 показана схема аппаратно-программного комплекса для определения мест установки троакаров при лапароскопических операциях. Аппаратно-программный комплекс включает устройство ввода пространственных 3D данных, 3D-дигитайзер (3D Digitizer), представляющий собой многошарнирный рычаг, оканчивающийся пером-датчиком, координата которого передается, и устройство-решатель, состоящий из соединенных, либо раздельных устройств вывода видеоданных, дисплей монитора, и вычисляющего устройства, выполненного с возможностью формирования трехмерной модели пациента по данным томографического исследования, устройство согласования координат виртуальной и физической модели, включающее физические реперные указатели; устройство ввода исходных данных томографического обследования, аудио устройство и блок решения мест установки троакаров. Внешний вид вычисляющего устройства показан на фиг.2.

Устройство ввода исходных данных (оптический привод дисковода, USB-устройство и т.п.), входящее в состав вычисляющего устройства, предоставляет исходные данные для вычисляющего устройства в виде изображений срезов томограмм, полученных по результатам компьютерной томографии пациента, для формирования трехмерной модели пациента. На фиг.3 показано изображение исходных данных - изображения срезов томограмм.

Трехмерная модель пациента представляет собой виртуальное математическое, статистическое, визуальное и управляемое описание тела пациента, которое может отображаться на устройстве вывода видеоданных. На фиг.4 показан внешний вид устройства вывода видеоданных.

На фиг.5. показаны физические реперные указатели из контрастного материала титан. Физические реперные указатели (метки), входящие в состав устройства согласования координат виртуальной и физической модели пациента, представляют собой небольшие, порядка 4×4 мм, пластины из контрастного материала, четко выделяемые на томографических изображениях, например титановые скобы, размещенные на теле пациента во время томографического обследования. Отображения данных реперных указателей, селекция которых достаточно проста благодаря свойству контрастности, входят в состав трехмерной модели пациента. На фиг.6 показано отображение физических реперных указателей в трехмерной модели пациента на экране монитора.

На фиг.7 показано устройство ввода пространственных 3D данных -механический 3D дигитайзер. Устройство согласования координат виртуальной и физической модели пациента, оперируя пространственными данными, поступающими от устройства ввода пространственных 3D данных, например 3D дигитайзера, и от трехмерной модели пациента в виде отображения физических реперных указателей, обеспечивает однозначное отображение на трехмерной модели пациента действий указующего устройства (перо дигитайзера), которое являемся составной частью устройства ввода пространственных 3D данных. Так как указующее устройство генерирует данные о своем положении и ориентации в пространстве в режиме реального времени, то и на трехмерной модели пациента отображаемся сцена в реальном режиме времени. На фиг.8 показана фотография, иллюстрирующая указание пространственной координаты пациента во время предоперационного моделирования.

Трехмерная модель пациента, сформированная на вычисляющем устройстве, позволяет хирургу просматривать на устройстве вывода видеоданных визуализированное трехмерное изображение тела пациента с элементами моделируемой операции и указывать «болевую» область на оперируемом органе На фиг.9 показана иллюстрация механизма указания «болевой» области на срезах томограмм. Выбранная «болевая» область включается в состав трехмерной модели пациента.

Блок решения мест установки троакаров, используя данные о местоположении «болевой» области, решает задачи расчета оптимальных траекторий и областей хирургического вмешательства, обеспечения контроля безопасности образуемого раневого канала. На фиг.10 показано отображение текущей трехмерной модели пациента на экране монитора с «болевой» областью с видом сбоку, а на фиг.11 - отображение текущей трехмерной модели пациента на экране монитора с «болевой» областью с видом сверху. При этом хирург, работая с аппаратно-программным комплексом, визуально на устройстве вывода видеоданных наблюдает предполагаемые места установки троакаров, информацию о безопасности формируемого раневого канала и другую дополнительную информацию. Характеристикой безопасности раневого канала служит информация об органах и тканях в зоне раневого канала, величина расстояния до оперируемого органа и т.п. На фиг.12 представлен механизм контроля безопасности раневого канала - просмотр раневого канала на срезах томограмм. На фиг.13 показано, как отображается предполагаемое место установки троакара на трехмерной модели пациента.

На фиг.14 приведена фотография, иллюстрирующая работу хирурга по согласованию виртуальных и физических координат с применением аппаратно-программного комплекса во время операции. Хирург, работая с устройством ввода пространственных данных непосредственно с пациентом как до операции, так и во время операции, наблюдает на устройстве вывода видеоданных на визуализируемой трехмерной модели пациента отображение физического указывающего устройства в виде изображения виртуального указующего устройства. После фиксации в памяти аппаратно-программного комплекса выбранных мест установки троакаров, хирург с использованием устройства ввода пространственных 3D данных указывает на реальном пациенте физические места установки троакаров. На фиг.15 приведена фотография, иллюстрирующая работу хирурга по указанию места установки троакара с применением аппаратно-программного комплекса во время операции. Блок решения мест установки троакаров на основании поступающих данных от устройства ввода пространственных данных сигнализирует хирургу визуально на устройстве вывода видеоданных (специальная сигнальная подсветка) и аудиально на аудиоустройстве (специальный звуковой сигнал) о правильном совмещении положения и ориентации физического указующего устройства с зафиксированным в памяти аппаратно-программного комплекса. Эти сигналы указывают, что указывающее устройство находится точно в выбранной области установки троакара, а его направление соответствует направлению к объекту операции («больной» области). На фиг.16 проиллюстрировано совмещение положения и ориентации указующего устройства на трехмерной модели пациента.

За период 2011-2012 гг. в отделении урологии ГБУ РМЭ «Республиканская клиническая больница» выполнено 17 лапароскопических операций на органах забрюшинного пространства с предоперационным моделированием, дооперационном планированием хирургического вмешательства и определением мест установки троакаров с помощью аппаратно-программного комплекса. Из них лапароскопических уретеролитотомий - 7 операций, лапароскопических резекций кисты почек - 10 операций.

Проведено сравнение продолжительности лапароскопических операций с использованием предоперационного моделирования с применением аппаратно-программного комплекса и без него. В тот же период было выполнено 20 лапароскопических операций без использования предоперационного моделирования с помощью аппаратно-программного комплекса. Из них, лапароскопических уретеролитотомий - 10 операций, лапароскопических резекций кисты почек - 10 операций. Полученные результаты по сравнению продолжительности лапароскопических операций с применением предлагаемого аппаратно-программного комплекса и без него показаны в таблице на фиг.17.

Выполнена лапароскопическая уретеролитотомия:

- с использованием предоперационного моделирования с помощью аппаратно-программного комплекса: у 7 пациентов с диагнозом камень мочеточника; из них: мужчин - 3, женщин - 4; у 4 пациентов камень располагался в верхней трети, 3 - в средней трети мочеточника; у 5 пациентов камень располагался справа, у 2 - слева. Среднее время операции составило: 43±7,6 минут. Интраоперационных и послеоперационных осложнений не было.

- без использования аппаратно-программного комплекса: 10 пациентов, среднее время операции составило: 57,5± 23 минут. В 1 случае произведена конверсия при миграции камня в лоханку почки, выполнена люмботомия, пиелолитотомия без осложнений. Других интраоперационных осложнений не было, раны зажили первичным натяжением.

Пример 1. Пациент К., 77 лет, история болезни 8946. Диагноз -мочекаменная болезнь, камень средней трети правого мочеточника, уретеропиелоэктазия справа. Госпитализирован в плановом порядке для оперативного лечения. Произведено обследование - компьютерная томография забрюшинного пространства с конграстированием, перед проведением которой на теле пациента определили 4 реперные точки, отмеченные цветным маркером и титановыми клипсами размером 5 мм. Реперные точки: 1 - нижний край мечевидного отростка грудины; 2 - верхний край лонного сочленения; 3 - передний край правого 11 ребра; 4 - передний край левою 11 ребра. При обследовании выявлен камень средней трети правого мочеточника размером 11×8×15 мм, расположенный в средней трети правого мочеточника (на уровне правого поперечного отростка 5 поясничного позвонка), мочеточник выше уровня камня расширен.

С использованием аппаратно-программного комплекса по данным, полученным в результате компьютерной томографии, построена трехмерная модель пациента, на которой выделили камень мочеточника, как «болевую» область, определили места оптимальной расстановки рабочих троакаров для лапароскопического доступа. Провели предоперационное моделирование операции, изучили прохождение слоев брюшной стенки и расположение внутренних органов в зоне оперативного воздействия. Непосредственно перед операцией, используя реперные точки на теле пациента, при помощи 3D дигитайзера произвели «привязку» трехмерной модели к пациенту, после чего, на поверхности кожи пациента отметили точки, определенные, как оптимальные для установки рабочих троакаров при предоперационном моделировании операции.

Выполнена операция - лапароскопическая уретролитотомия справа. После обработки операционного поля под эндотрахеальным наркозом установили первый троакар открытым способом, после создания карбоксиперитонеума в брюшную полость введен лапароскоп, выполнена обзорная лапароскспия. В точках, определенных при компьютерном моделировании под контролем лапароскопа, установили рабочие троакары (10 мм), произвели мобилизацию восходящей толстой кишки, выделили мочеточник в средней трети, стенка мочеточника рассечена над камнем, камень удален. Произвели контроль проходимости нижнего отдела мочеточника, на разрез мочеточника наложили узловые швы атравматичной иглой «викрил» 3/0. После контроля за гемостазом был установлен улавливающий дренаж в брюшную полость, удалены рабочие троакары, лапароскоп, троакарные раны ушиты. Время операции составило 50 минут. В послеоперационном периоде осложнений не было, улавливающий дренаж удален на следующие сутки, раны зажили первичным натяжением.

Пример 2. Пациентка К., 73 лет, история болезни 14069. Диагноз - мочекаменная болезнь, камень верхней трети левого мочеточника, почечная колика слева. Госпитализирована в экстренном порядке с болевым синдромом. Приступ почечной колики купирован спазмолитиками, при обзорной рентгенографии органов мочевыводящей системы выявлен камень верхней трети левого мочеточника размером 1,0×1,2 см, выполнено ультразвуковое исследование почек - выявлена пиелоэктазия слева. Произведена компьютерная томография почек, забрюшинного пространства с контрастированием, обнаружен камень в верхнем отделе мочеточника размером 1,0×1,2×0,9 см, уретеропиелоэктазия слева, обструкция мочеточника.

С использованием аппаратно-программного комплекса по данным, полученным в результате компьютерной томографии, построена трехмерная модель пациента, на которой выделили камень мочеточника, как «болевую» область, определили места оптимальной расстановки рабочих троакаров для лапароскопического доступа. Провели предоперационное моделирование операции, изучили прохождение слоев брюшной стенки и расположение внутренних органов в зоне оперативного воздействия. Непосредственно перед операцией, используя реперные точки на теле пациента, при помощи 3D дигитайзера произвели «привязку» трехмерной модели к пациенту, после чего, на поверхности кожи пациента отметили точки, определенные, как оптимальные для установки рабочих троакаров при предоперационном моделировании операции.

Выполнена операция - лапароскопическая уретролитотомия слева. После обработки операционного поля под эндотрахеальным наркозом установили первый троакар открытым способом, после создания карбоксиперитонеума в брюшную полость введен лапароскоп, выполнена обзорная лапароскопия. В точках определенных при компьютерном моделировании под контролем лапароскопа установили рабочие троакары (5 и 10 мм), произвели мобилизацию нисходящей толстой кишки, выделили мочеточник в средней трети, стенка мочеточника рассечена над камнем, камень удален. Произвели контроль проходимости мочеточника, на разрез мочеточника наложили узловые швы атравматичной иглой «викрил» 3/0. После контроля за гемостазом установлен улавливающий дренаж в брюшную полость, удалены рабочие троакары, лапароскоп, троакарные раны ушиты. Время операции составило 40 минут. В послеоперационном периоде осложнений не был.), улавливающий дренаж удален на следующие сутки, раны зажили первичным натяжением.

Выполнена лапароскопическая резексия кисты почек:

- с использованием предоперационного моделирования с помощью аппаратно-программного комплекса: у 10 пациенов с диагнозом киста почки; из них: мужчин - 3, женщин - 7; у 5 пациентов киста располагалась в правой почке, у 5 - в левой почке. Среднее время операции составило: 37,5±7 минут. Интраоперационных и послеоперационных осложнений не было.

- без использования аппаратно-програмного комплекса: 10 пациентов, среднее время операции составило 58±8,6 минут. Интраоперационных и послеоперационных осложнений не было, раны зажили первичным натяжением.

Пример 3. Пациентка В., 71 г.История болезни 8190. Диагноз - киста верхнего полюса левой почки. Госпитализирована в плановом порядке для оперативного лечения. Выполнена компьютерная томография почек с контрастированием, обнаружена киста верхнего полюса почки размером 5,0×6,5, ×6,0 см, с явлениями сдавления полостной системы почки.

С использованием аппаратно-программного комплекса по данным, полученным в результате компьютерной томографии, построена трехмерная модель пациента, на которой выделили «болевую» область, определили места оптимальной расстановки рабочих троакаров для лапароскопического доступа. Провели предоперационное моделирование операции, изучили прохождение слоев брюшной стенки при предполагаемой установке троакаров и расположение внутренних органов в зоне оперативного воздействия.

Выполнено оперативное лечение - лапароскопическая резекция кисты левой почки. После обработки операционного поля под эндотрахеальным наркозом установили первый троакар открытым способом, после создания карбоксиперитонеума в брюшную полость введен лапароскоп, выполнена обзорная лапароскспия. В точках определенных при компьютерном моделировании под контролем лапароскопа установили рабочие троакары (5 и 10 мм), произвели мобилизацию нисходящей толстой кишки, выделили левую почку, экстраренальную оболочку кисты, расположенной в верхнем полюсе почки. Произвели иссечение стенок кисты почки, кровотечение остановлено электрокоагуляцией. После контроля за гемостазом установлен улавливающий дренаж к ложу кисты, удалены рабочие троакары, лапароскоп, троакарные раны ушиты. Время операции составило 30 минут. В послеоперационном периоде осложнений не было, улавливающий дренаж удален на следующие сутки, раны зажили первичным натяжением.

Таким образом, использование аппаратно-программного комплекса для определения мест установки троакаров при лапароскопических операциях позволило провести предоперационное моделирование и планирование хирургического вмешательства, изучить возможные опасности, связанные с расположением окружающих зону вмешательств органов, выбрать оптимальные зоны для установки троакаров, угол вхождения троакара в брюшную полость, что позволило повысить эргономичность и удобство работы хирурга, уменьшить длительность операции, уменьшить число конверсии.

Аппаратно-программный комплекс, характеризующийся тем, что включает устройство ввода пространственных 3D данных, 3D-дигитайзер и устройство-решатель, состоящий из соединенных либо раздельных устройств вывода видеоданных, дисплей монитора и вычисляющего устройства, выполненного с возможностью формирования трехмерной модели пациента по данным томографического исследования, устройство согласования координат виртуальной и физической модели, включающее физические реперные указатели, устройство ввода исходных данных томографического обследования, аудиоустройство и блок решения мест установки троакаров.