автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Приборы тактильной эндохирургической диагностики

На правах рукописи

Козорезов Юрий Юрьевич

Приборы тактильной эндохирургической диагностики

Специальность 05.11.17-«Приборы, системы и изделия медицинского назначения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 2012

Тула-2012

005043389

—1"=г;=г5="

государственный университет имени М.В.Ломоносова

Научный руководитель:

доктор физико-математических

профессор, Садовничий Виктор Антонович.

наук,

Официальные оппоненты: ¡^ЙЯ^Ж^

профессор кафедры «Приборы управления» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»;

Анохин Виктор Александрович доктор технических наук, профессор Генеральный директор ООО «Яуза-Моторс».

Ведущая организация: „„прение науки Государственный

Российской академии наук (ГНЦ РФ-ИМБП РАН).

2012 г.

16:00

часов на

Зашита состоится -мая._-_ вп0 <<Хульский

заседании диссертационного совета Д.212.27 07 при Ф 92 (9_10П.

государственный университет» по адресу: 300012, г. Т ула, пр. Ленина,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан

« 26 » __апреля

2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета 2

Данилкин Федор Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Документирование своих ощущений - одна из важных задач в развитии человека. Зрительные образы фиксируются в виде рисунков или кинофильмов, звук - в виде аудиозаписи. Тактильные же образы не нашли возможностей для документирования. Даже в такой важной области как медицина до сих пор отсутствует объективная система, позволяющая описать и запомнить такого рода информацию.

В настоящее время существует множество методов диагностики: ультразвуковые, рентгенологические, магниторезонансные, эндоскопические методы. Но всякий практикующий хирург обязательно «прощупает» пациента перед оперативным вмешательством. В различных областях хирургии метод пальпации занимает особое место. В онкологии он позволяет определить размеры и подвижность опухоли, в экстренной хирургии - расположение абсцесса, в травматологии - взаимное смещение обломков. Данная информация позволяет определить распространенность патологического процесса, взаимоотношения опухоли с прилегающими органами, выявить тактильные свойства, характерные для

конкретного заболевания.

С момента начала активного использования эндохирургической техники возникла необходимость дополнения визуального контроля другими диагностическими методами. Наиболее естественным и близким к человеческой природе казался метод пальпации. Естественными препятствиями к использованию этого метода во время эндохирургической операции являются невозможность ввести руку или палец хирурга в малый разрез и исключительно субъективные осязательные критерии, характеризующие обследуемые ткани.

В настоящее время эндохирурги производят тактильные исследования инструментом, передающим эту очень приблизительную информацию. Конкурентный метод - ультразвуковое эндохирургимеское исследование, - очень дорог и связан с использованием громоздкой аппаратуры.

В отличие от открытых операций малые размеры разрезов при эндоскопических вмешательствах делают тактильную диагностику невозможной. В литературе в настоящее время отсутствуют сведения об «эндоскопах с тактильной функцией». Все существующие аппараты, оснащенные тактильными датчиками, предназначены только для наружного применения.

Цель и задачи исследований - повышение эффективности эндохирургической техники за счет развития инструментов тактильной диагностики.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены

следующие основные задачи:

1. Разработать структуру прибора для тактильной эндохирургической

диагностики.

2. Разработать математическую модель тактильного эндохирургического прибора.

3. Исследовать варианты реализации датчика усилий для восприятия тактильной информации.

4 Создать линейку приборов, позволяющих использовать возможности

тактильной диагностики при эндохирургических операциях. 5. По результатам клинических данных подтвердить диагностическую

значимость прибора. Работа выполнена в МГУ имени М.В. Ломоносова (Институт математических исследований сложных систем МГУ, Лаборатория тактильнои диагностики, Института человека МГУ, Механико-математический факультет МГ У)

Методы исследования. Для решения поставленных задач в ртботе использовались методы исследования: теория упругости, теория измерении, микроэлектроника, теория обработки сигналов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем: __

] ' Разработана и апробирована математическая модель эластичнои мембраны эндоскопического прибора тактильной диагностики и получены зависимости описывающие взаимосвязь упругих свойств исследуемых образцов и показании

ДаТЧГ° на^новании рекомендаций специалистов по эндоскопическим операциям, сформирована общая структурная схема эндоскопического приоора -

3 Создана линейка принципиально новых диагностических приборов позволяющих проводить недоступную ранее во время эндохирургических

вмешательств тактильную диагностику. „,„лпипи гтпать

Практическая значимость. Теоретические результаты позволили создать линейку гфиборов с различными вариантами реализации тактильных датчиков^ Данньк полученные при применении новых приборов тактильной диагностики во ?ремя эндохирургической операции, позволяют объективизировать ин^аопераидонную диагностику, тем самым повышая -^^ГтГв В это обуславливает высокую социальную значимость полученных ^та^ В результате созданы приборы тактильной диагностики, позволяющие существенно улучшить диагностические и лечебные возможности эндоскопических метод

Внедрение результатов работы в практику. Создана опытная линеика приборов изготовленных из материалов, разрешенных для использования в ходе хирургических вмешательств. Успешно завершен этап доклинических испьггании, в соответствии с требованиями стандартов медицинской техники. В настоящее время созданные эндоскопические приборы проходят клинические испытания в т е ствие со всеми требованиями Росздравнадзором Минздравсо^азвитд РФ Рязпяпптанная схема предоперационной и послеоперационной ооработки иХументари, ГГс-гери^изация позволяют соблюсти все требования санитарно-э п и дем иол о гич еско го надзора. Эндоскопический прибор полностьюсо™ современным эндохирургическим оборудованием -еРаци0ННЫ\б™„таГи ^я согласование рабочей конструкторской и технологической документации для

с иГого изготовления приборов'в Федеральном государственном ^.итарном

предприятии «Государственное научно-производственное предприятие «Сплав»

(ФГУР^ используются в ведущих медицинских^реждениях

страны: Московский научно-исследовательский онкологический инсти^т им. П.А.Герцена (МНИОИ им. П.А.Герцена), Городская клиническая оольница ЛЫ

- Москва (ГКБ № 31), Клиническая больница №119 Федерального медико-Зиологического агентства (КБ № 119 ФМБА МЗ РФ), научно-исследовательскии ™ Скорой Помощи им. Н.В. Склифосовского, Российский Онкологическим Научный Центр имени Н.Н. Блохина, Центральная городская оольница г. Электросталь

Положения, выносимые на защиту:

- структура прибора для тактильной эндохирургическои диагностики,

_ математическая модель эластичной мембраны эндоскопического прибора

тактильной диагностики. _ реализации датчика усилий эндоскопического прибора для восприятия

тактильной информации;

— линейка эндоскопических приборов тактильной диагностики. Апробация работы. Работа выполнена в рамках государственных контрактов

№ 13 0363^002 от 07.09.2010г. и № 02.522.11.2008 от 18.05.2007г. Результаты исследований были представлены: на научно-техническом семинаре в Университете Soka Токио, 2010; на рабочей встрече на Медицинском факультете, Карлов университет, Прага, 2012; на молодежной научной конференции в Бурятском государственном университете, Улан-Уде, 2007; на круглом столе по вопросам передачи тактильной информации, Keio University, Токио 2010, на семинаре по обмену опытом в Чешском техническом университете, Прага, .01., на международной тематической конференции ^еханорецепторная д^гно™ тактильная трансляция", Москва, 2011; на VII Всероссийском форуме Здоровье нации основа процветания России", Москва, 2011; на выставках высоких технологий «Инновационная Россия» XI и XII Международного Петероургского

экономического форума, Санкт-Петербург, 2007 и 2008. ПИГГептапии

Публикации по теме диссертации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11 работах, из них 5 из перечня ВАК. По настоящей раооте получено свидетельство о регистрации программ для ЭВМ в Роспатенте РФ, Патент

РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. „„„„„

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов,

приложений и списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ возможностей тактильной диагностики и наличия приборов в клинической практике. Сформулированы цель и задачи научного опытно-конструкторского исследования, и показана пра^ическая

значимость работы. ,

Необходимость создания датчиков, воспринимающих физические характеристики, зародилась после широкого внедрения эндоскопическом техники проведения хирургических операций и апробирования виртуальных эндоскопических тренажеров. Данные датчики должны заменить функцию пальца (руки) хирурга, так как врач не имеет возможности пальпаторно воспринимать физические параметры органа или ткани при проведении операции.

Первый тест в котором был установлен минимальный порог чувствительности расстояния, описан Вебером в 1826 году. Утверждалось, что палец человек не

способен различать длину касаемого предмета, размеры которого меньше ^5 . Значительно позже, в 1970 г. было показано, что в ряде случаев после длительных тренировок, человек можегг определять размеры тел вплоть до 0.3мм.

Процесс пальпации является очень сложным этапом в ходе диагностики больного и всецело зависит от чувствительности рук хирурга и его опыта. Поэтому для объективного анализа, пределы восприимчивости прибора ^"сшо с тактильной диагностики должны быть значительно увеличены по сравнению с человеческими руками, путем правильного выбора формы и свойств эластичного

МаТез7последние тридцать лет было произведено множество тактильных датчиков на основе принципиально различных технологий, однако их обшей чертой оыло использование линейной упругой модели механорецепторов. nnuñnnul

Компания Medical Tactile, lnc.(MTI, США) разработала медицинские приборы на основе различных датчиков давления. Одной из наиболее интересных разработок ляетсГсистема диагностирования SureTouch Visual Mapping ^te- Датчики используемые в системе, в 4 раза более чувствительны чем человеческое прикосновение. Точность отображения участков поражения до 5 мм

Р В .995 году доктор Армен Сарвазьян (ARTANN Laborator.es, >пс) рир ботал тактильные медицинские приборы с возможностью электронного анализа данных. В приборах используются несколько датчиков давления и П0™ЦИ°ННЬ"™" данным которых создаются двухмерные и трехмерные изображения. Метод позволяет обнаружить уплотнения, которые не могут быть выявлены при ооычнои пальпации, при помоши определенных запатентованных алгоритмов

В 1996 году в Гарвардском университете компанией Pressure Profile Systems, inc Разработана система TactArray для фиксирования тактильной "»формации^ получаемой от объектов при прямом физическом контакте. Используя технологию TactArray было разработано устройство Т2000 обеспечивающее почти в 5 раз большую чувствительность, чем человеческое прикосновение. Ддя исследовании связанных с' пальпацией, созданы ConTacts - осязательные подушечки для покрытия оптимГной зоны пальца. Диапазон давления до lOOpsi - это такой же диапазон

давления, как и кончики человеческих пальцев. питепа™пе

Все предлагаемые аппараты, описанные в современной литературе предназначены для использования в робототехнических системах, лиоо для «наружного применения». Главным отличием прелагаемого прибора явится озможносгь «объективного ощущения» внутри полостей человеческого организм Вторая глава посвящена теоретическому и практическому обоснованию стру^ур?. прибора тактильной диагностики и разработке математической модели

тактильного^рибора^ информационно-ИЗМерительной и регистрирующей

системы (рис 1). Тактатьная информация воспринимается мягкой мембраной сданной с датчиком давления посредством воздушной магистрали. Датчик давления регистрирует изменение давления и преобразовывает данные в электрический cil низкого уровня. Для последующей обр^отки сигн. усиливается и передается на вход аналогово-цифрового преобразователя. В качестве

контроллера используется серийный промышленный контроллер с интерфейсом. Контроллер подключается к вычислительному модулю.

CAN

Рис. ! Структурная схема прибора тактильной диагностики.

Чувствительным элементом прибора является эластичная мембрана для передачи тактильной информации от исследуемого объекта к датчику давления. Построение математической модели проведено на примере физическом модели эластичной мембраны, на примере одной камеры (рис. 2).

? ^^ б

Й

Рис.2. Эластичная мембрана

Рис.3. Воздушная камера

При оценке упругих свойств исследуемой ткани процесс деформации мембраны принимается изотермическим и используется закон Бойля —

Мариотта рУ=СОШ(.

р/о-РУу

При малых изменениях Др,ЛК имеем Дп = - Ро Д V = Ро (7 Дх где Дх - перемещение нижней стенки мембраны.

V* ^

Согласно закону Гука:

^ДХ-£ = С(ДУ-ЛХ), где Ау - абсолютное перемещение прибора относительно неподвижного основания, С - коэффициент жесткости исследуемого тела.

с= = ко,Ар

Ду-Дх Ду-сг,Др Ар

Таким образом,' зная значения абсолютного перемещения и изменение давления, мы можем численно оценить коэффициент жесгкост^

Рассмотрим многокамерную меморану (рис. 3). Ввиду того,

влияние как и. и рассмотрим модель мембраны из шести воздушных камер. Если пронумеровать камеры (рис. 4), то значение изменения давления в каждой из камер можно выписать в виде.

( Дх, ^

>РЛ м 0 0 0 "1

1 И 0 0 0

0 м 1 м 0 0

0 0 м 1 м 0

0 0 0 м 1 м

{ ЬРь, и 0 0 0 м К

МЧ )

V * ч-

Рис. 4. бти камерная мембрана

Обратив данную матрицу с допущением /Я.//' пренебрежимо мало, получим значение для вектора ДЛ':

' Д.Г,

' 1 -м 0 0 0 0 ^

-м 1 -м 0 0 0

0 -м 1 -м 0 0 •

0 0 -м 1 -м 0

0 0 0 1 -м

и 0 0 0 -м 1

Таким образом, учитывая установленные выше допущения и приведенные выкладки, выделяем значение коэффициента жесткости исследуемого тела в каждой точке нашего датчика. На основе применения данного метода при численнои обработке результатов, улучшается наглядность выделения границ крупных объектов и повышается качество отображения мелких объектов, размеры которых сравнимы с размерами воздушных камер эластичной мемораны. Численный результат данного метода приведен на примере эксперимента пальпирования мягкой резиновой трубки (Табл. '

Табл. 1. Результаты эксперимента

В третьей главе описываются возможные способы передачи информации от биообъекта к датчику давления. Проработаны различные варианты и исполнения датчика давления и обрабатывающей электроники.

Экспериментальная апробация отдельных элементов прибора тактильнои диагностики при изучении объектов и проведенные математические расчеты оценки результатов экспериментов выявила следующие требования:

1) камеры мультикамерного датчика должны иметь одинаковые размеры;

2) межкамерные разделительные пластины должны иметь одинаковую толщину

во всех точках;

3) материал должен быть максимально эластичным;

4) мультикамерный датчик должен быть технологичным в изготовлении.

В ходе выполнения дальнейшей работы были проработаны различные варианты восприятия тактильной информации от биологического объекта. Для изготовления мультикамерного датчика были изготовлены несколько вариантов рабочих чертежей (рис.5).

Hi

Рис. 6 - Мембрана с камерами треугольной формы

Рис. 7. - Мембрана с выпуклостями на поверхности и камерами цилиндрической формы

При выборе материалов для изготовления мембран учитывалось требование о

взаимодействии разрабатываемой конструкции с биологическом тканью, все

чувствительные элементы должны быть выполнены из материков, разрешенных к чувствительные эдеме д выбраны невулканизованные

резито^ые'смеси ИРП-П38 S м^бран 0 20 мм) и ^-1265 (более мягкая для

МеМбТсГаМве негабаритного макета тактильного датчика бь^ исползаны приборы 24PC05SMT, производимые фирмои Honeywell (США). Матрица,

Б(2:1) (4,2 to.oi)x3=12,6 to,02

Рис. 5. форма для изготовления мультикамерного датчика с 24-ю камерами треугольной формы

Создан и испытан макет мультикамерного датчика с камерами ^угольной формы (рис.6). Положительные результаты испытаний этого датчика позволили пепейти к проработке других вариантов (рис. 7), которые оолее сложны в ^ =ленииПРн°оР ™исьРУболее эффективными анализе

Ппепложены мембраны с выпуклой поверхностью, т.е. каждое из внутренних отвеГ™ н Рабочей поверхности заканчивается выпуклостью в виде купол. При проведении расчетных и экспериментальных работ было выявлено, что плоская рабочая поверхность обладает значительно меньшей чувствительностью в

сравнении с выпуклой.

включающая 30 датчиков, выполнена на печатных платах. Базовая плата предназначена для установки шести линейных плат, а также разъемов для соединения с платой мультиплексора. Приборы 24РС05БМТ располагаются группами по пять штук на каждой линейной плате. Общее количество линеиных плат составляет шесть штук. Таким образом, сформирована матрица 5x6 датчиков (рис. 8).

Рис. 8. Плата датчиков, внешний вид

Согласно данным изготовителя, чувствительность датчиков этого типа составляет 0,147 мВ/В/кПа. При напряжении питания 2,5В и давлении 1Па

выходной сигнал будет составлять:

0. 147мВ В кПа х 2.5В х О.ООЫПа = 0.00037мВ = 0.37мкВ.

После усиления в 50 раз, которое производится микросхемой 1МА156, сигнал составит- 0.37.мкВ х 50 = 18,5мкВ.

С другой стороны, 16-ти разрядный АЦП с дифференциальным двуполярным входом при опорном напряжении 2,5В имеет иену младшего разряда: 2.5В 2" = 2500000мкВ 32768 = 76мкВ.

Таким образом, цена младшего разряда может быть оценена величиной: 76м к В 18.5м к В = 4.1 Па. мзр.

Параллельно с разработкой общего конструктивна эндоскопического прибора, прорабатывались варианты минимизации, габаритных размеров датчика. Преобразование механической деформации мембраны, возникающей под действием измеряемого давления, в электрический сигнал возникает вследствие действия тензорезистивного эффекта в полупроводнике. Каждый чувствительный элемент представляет собой тензорезистивный мост, имеющий два вывода для подачи питания, и эти выводы объединены для всех элементов матрицы. Два вывода моста предназначены для снятия выходного дифференциального сигнала. В работе рассматриваются вопросы, касающиеся создания одноканальных преобразователей давления модулей тензометрических преобразователей давления на основе одноканальных преобразователей и модуля тензометрических преобразователей

давления на основе интегральной матрицы.

Интегральные резисторы (тензорезисторы), электрическое сопротивление которых зависит от величины деформации, в количестве 4-х штук, должны оыть расположены таким образом, чтобы одна пара располагалась в той ооласти

напряжение*) пропорционально приложенному давлению.

Рис 9 ГкбТЕЯЕЯ'атник Рис. , 0. Интегральный^ильный датчик

R результате работы с ФГБУ НПК «Технологически* центр» МИЭТ» (г. Зеленой) бь": сГано два вида тактильных ----./^рГыГд— датчик представляет собой сборку из 30 оескоРПУС^ХмХ гА^Л^404^79 110

пав тения (Рис 9) Интегральный тактильный датчик <<МПДМ-19>> ! ABJl.4U4i/^

Se 10 представляет собой интегральную микросхему, содержащую 19 датчиков

выходной цифровой код. Выходной код 1Ч„ЫХ uni ир давлении Р, Па вычисляется по формуле: ^ ^

где N0 - начальное смешениГпри отсутствии давления, S - крутизна

давления герметичны в части разделения

—

хирурги^гинекология); ет ВОЗМОЖНОСТи исследования;

НаГовоГэХ был разработан специальный прибор (рис. 11), состоящий из 5 гермети х ™ичных 'камер, соединенных с дискретными датчиками да= R патологоанатомическом отделении Центральной клиническои больницы Управления делами Президента Российской Федерации были обследованы удаленные ткани.

Рис 11 Обший вид экспериментального комплекса. Проведение исследования состоит в том, что задав режим записи, оператор управляет движением привода и, соответственно, перемещает тактильныи датчик вниз контролируя на мониторе значение создаваемой силы. По достижении желаемого значения силы осуществляется возврат механизма в исходное состояние. После представления записанной информации в виде графиков, на участке времени, когда тактильный датчик находится в контаю-е с объектом исследования, вычисляется отношение среднего значения по всем датчикам давления к величине возникающей силы и дгшее это отношение усредняется по времени. Данный критерий позволяет получить усредненную оценку плотности образца (Табл.2).-

¡р.в

Плотноватая мягкая мышечная пластина со складкой и участками уплотнения

Дольчатая равномерная структура

Табл. 2. Результаты эксперимента Таким образом, была показана функциональность созданного тактильного робототехнического комплекса, что позволяет воспринять, дифференцировать и преобразовать тактильные ощущения в электрический сигнал.

На следующем этапе прибор имел 24 дискретных датчика, измеряющих давление в камерах специально созданной мембраны (рис.12). Камеры и громоздкие датчики были соединены герметичными трубопроводами.

Рис. 12. макет прибора тактильной диагностики

В --""мни—п ЛГ^. ^оТ ЛОк",Г™ Р== ;~-™*™:ОИГс™»Ри,«РреУ™о. ™ было „оа™,р«»о

гистологическими исследованиями (Табл.3).

I

Табл. 3. Гтснкя желудка. Норма и опухоль.

Ня Тисун^ТГ ™иведСТ^8ариа"нт мобильного прибора с использованием бес проводного канала связи для передачи информации, что особенно удобно для использования в ходе операций в грудной и брюшной полос™

Эндоскопический прибор тактильной диагностики

Данные приборы предназначены для определения свойств тканей во время эндохирургических вмешательств. В них использованы разрешенные для хирургии „""ы, специально разработанные микроэлекгронные схемы, отработаны

специальные методы обеззараживания и стерилизации.

Хирургические вмешательства с использованием такой техники были проведены в МНИОИ им. П.А.Герцена, 31 ГКБ и 119 КБ МЗ РФ, НИИ СП им^ Н В сГифосовского, РОНЦ им. Н.Н.Блохина, в центральной городской больнице

города Электросталь. ^^ рЕЗУЛ ЬТАХЫ „ ВЫВОДЫ

1 В результате проведенной работы была разработана структура тактильного

Э1да^ГГПРИ^ма™ческ» модель мембраны тарного ^"'й&ы^нь.е варианты ре.изации датчиков восприятия ТаетГЬрН:;^ГамИиниатЮрный интегральный многокамерный датчик для

восприятия тактильной информации. ли,Г1,пгт„Ки

5. Разработан экспериментальный стационарный приоор для диагностики

УЛМГ Пре—а линейка приборов для интраоперационной диагностики с различными вариантами реализаций гибкой многокамерной мембраны. Р 7 Разработанная линейка приборов внедрена в состав -Рур^ического инструмента при проведении эндоскопических операции в МНИОИ им. П.А.Герцена, 31 ГКБ, 119 КБ МЗ РФ, НИИ СП им. Н.В.Склифосовского, РОНЦ им.

Н Н БЛ°ХИНаОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертационного исследования приведены в следующих

работах. ю к ^ в м Буда110В1 ю.г. Мартыненко, Ю.Л. Перов, М.Э. Соколов М Фрлета, Е.В. Фарион. Практические возможности комплекса тактильной диагностики. / Вестник новых медицинских технологий, 2006, вып.

13,>ЮНХ Комриов, В.М. Буданов, Ю.Г. Мартыненко, ЮЛ. Перов, М.Э. Соколов М. Фрлета. Возможность использования тактильного телехирургического робототехнического комплекса при обследовании верхних отделов желудочно-кишечного тракта. / Вестник новых медицинских

технологий 2006, вып. 13, № 1, - С. 126-128.

Г юю. Козорезов, М.Э. Соколов, В.М. Буданов. Эволюция приборов тактильной эндохирургическои диагностики. /Межотраслевой научно-

практический журнал «ИНТЕГРАЛ», 2012.-С. 21-22.

4 Ю.Ю. Козорезов, В.М. Буданов, A.B. Бернацкий, И.В Кузьмин, П.А. Мамонов. Устройство отображения тактильной информации. / Межотраслевой научно-практический журнал «ИНТЕГРАЛ», 2012. - С. 63-64.

5 Патент РФ № 1131129. Устройство тактильного исследования плотности ткани при эндоскопическом обследовании. МПК А6Ш/00. Заявл. 29.06.2011.

ГССГ" Буданов. Математические модели мобильного робота с колесами тониной жесткости / Сборник ^-в конференции молодых ученых.

Материалы научно» школы-конферениии «Мобильны, роботы 2004». Иэителъсп»

riÄT—H.A. со»», МЭ s »

ВМ Поиходько И.П., Гаркавенко В.А., Родионова М.В., Бармин В.В тканей (стационарный тактильным cito - диагностику!* )

о б ш и е ре з у л ьтаты доклинических и клинических испытаний тактильного механоре^ептора и транслятора, Механорецепторная диагностика и тактильная

40 ноябпя 40И г Университетский гуманитарным лицеи, 2011. (тезисы) ь. .z ¿j. Ш Ю Ю Козорезов A.B. Бернацкий, И.В. Кузьмин, П.А. Мамонов Устройства

ко^ениии 29-30 ноября 20П г., Университетский гуманитарный лицеи, 2011.

ПЗИСв«°ьстВо о государственной регистрации программы для ЭВМ №20 П (И 2020 Программа формирования рельефа та—го — параллельной работой механических приводов. Зарегистрировано в Роспатенте

05,03.2011 г.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать _ЛЩ0Ц Формат бумаги 60x84 X*. Бумага офсетная. Усл.-печ. л. 0,3, Ун.-изд. л. Тираж ПО экз. Заказ №25

Тульский государственный университет 300012, г. Тула, пр. Ленина. 92

Отпечатано в издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, ул. Болдина, 151

61 12-5/2934

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

На правах рукописи

Козорезов Юрий Юрьевич

Приборы тактильной эндохирургической диагностики

Специальность 05.11.17-«Приборы, системы и изделия медицинского назначения»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель академик РАН, доктор физико-математических наук, профессор, Садовничий Виктор Антонович.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................3

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРИБОРОВ ...8

Введение...........................................................................................................................................................................8

1.1 Лапароскопия как вид хирургии...........................................................................................................................9

1.2 Современное состояние отрасли.........................................................................................................................11

1.3 Патентные исследования приборов эндоскопической диагностики...........................................................15

1.4 Альтернативные методы диагностики................................................................................................................37

Постановка задачи исследования............................................................................................................................39

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИБОРА.....................................41

Введение..........................................................................................................................................................................41

2.1 Структура приборов тактильной диагностики..................................................................................................41

2.2 Модели взаимодействия объектов......................................................................................................................50

2.3 Математическая модель мембраны.....................................................................................................................58

Выводы.............................................................................................................................................................................66

ГЛАВА 3. МАКЕТЫ ТАКТИЛЬНЫХ ПРИБОРОВ.............................................67

Введение..........................................................................................................................................................................67

3.1 Макетный вариант стационарного тактильного прибора..............................................................................67

3.2 Эндоскопический тактильный прибор................................................................................................................76

3.3 Беспроводной эндоскопический тактильный прибор с интегральными датчиками давления...............92

Выводы...........................................................................................................................................................................105

ГЛАВА 4. КЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИБОРОВ........................107

Введение........................................................................................................................................................................107

Результаты испытаний линейки приборов на биологическом материале.......................................................107

4.1 Стационарный тактильный прибор....................................................................................................................107

4.2 Эндоскопический тактильный прибор..............................................................................................................112

4.3 Беспроводной эндоскопический тактильный прибор....................................................................................118

Выводы...........................................................................................................................................................................136

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.........................................................137

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ А. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ..........................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТ...............169

Введение

Документирование своих ощущений - одна из важных задач в развитии человека. Зрительные образы фиксируются в виде рисунков или кинофильмов, звук - в виде аудиозаписи. Тактильные же образы не нашли возможностей для документирования. Даже в такой важной области как медицина до сих пор отсутствует объективная система, позволяющая описать и запомнить такого рода информацию.

В настоящее время существует множество методов диагностики: ультразвуковые, рентгенологические, магниторезонансные, эндоскопические методы. Но всякий практикующий хирург обязательно «прощупает» пациента перед оперативным вмешательством. В различных областях хирургии метод пальпации занимает особое место. В онкологии он позволяет определить размеры и подвижность опухоли, в экстренной хирургии - расположение абсцесса, в травматологии - взаимное смещение обломков. Данная информация позволяет определить распространенность патологического процесса, взаимоотношения опухоли с прилегающими органами, выявить тактильные свойства, характерные для конкретного заболевания.

С момента начала активного использования эндохирургической техники возникла необходимость дополнения визуального контроля другими диагностическими методами. Наиболее естественным и близким к человеческой природе казался метод пальпации. Естественными препятствиями к использованию этого метода во время эндохирургической операции являются невозможность ввести руку или палец хирурга в малый разрез и исключительно субъективные осязательные критерии, характеризующие обследуемые ткани.

В настоящее время эндохирурги производят тактильные исследования инструментом, передающим эту очень приблизительную информацию. Конкурентный метод - ультразвуковое эндохирургическое исследование, -очень дорог и связан с использованием громоздкой аппаратуры.

В отличие от открытых операций малые размеры разрезов при эндоскопических вмешательствах делают тактильную диагностику невозможной. В литературе в настоящее время отсутствуют сведения об «эндоскопах с тактильной функцией». Все существующие аппараты, оснащенные тактильными датчиками, предназначены только для наружного применения.

Цель и задачи исследований - повышение эффективности эндохирургической техники за счет развития инструментов тактильной диагностики.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Разработать структуру прибора для тактильной эндохирургической диагностики.

2. Разработать математическую модель тактильного эндохирургического прибора.

3. Исследовать варианты реализации датчика усилий для восприятия тактильной информации.

4. Создать линейку приборов, позволяющих использовать возможности тактильной диагностики при эндохирургических операциях.

5. По результатам клинических данных подтвердить диагностическую значимость прибора.

Работа выполнена в МГУ имени М.В. Ломоносова (Институт математических исследований сложных систем МГУ, Лаборатория тактильной диагностики, Института человека МГУ, Механико-математический факультет МГУ)

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы исследования: теория упругости, теория измерений, микроэлектроника, теория обработки сигналов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана и апробирована математическая модель эластичной мембраны эндоскопического прибора тактильной диагностики и получены зависимости описывающие взаимосвязь упругих свойств исследуемых образцов и показаний датчиков давления.

2. На основании рекомендаций специалистов по эндоскопическим операциям, сформирована общая структурная схема эндоскопического прибора.

3. Создана линейка принципиально новых диагностических приборов, позволяющих проводить недоступную ранее во время эндохирургических вмешательств тактильную диагностику.

Практическая значимость. Теоретические результаты позволили создать линейку приборов с различными вариантами реализации тактильных датчиков. Данные, полученные при применении новых приборов тактильной диагностики во время эндохирургической операции, позволяют объективизировать интраоперационную диагностику, тем самым повышая качество лечения больных, это обуславливает высокую социальную значимость полученных результатов. В результате созданы приборы тактильной диагностики, позволяющие существенно улучшить диагностические и лечебные возможности эндоскопических методик.

Внедрение результатов работы в практику. Создана опытная линейка приборов изготовленных из материалов, разрешенных для использования в ходе хирургических вмешательств. Успешно завершен этап доклинических испытаний в соответствии с требованиями стандартов медицинской техники. В настоящее время созданные эндоскопические приборы проходят клинические испытания в соответствие со всеми требованиями Росздравнадзором Минздравсоцразвития РФ. Разработанная схема предоперационной и послеоперационной обработки инструментария, его стерилизация позволяют соблюсти все требования санитарно-эпидемиологического надзора. Эндоскопический прибор полностью сочетаем с современным эндохирургическим оборудованием операционных блоков. Проведено согласование рабочей конструкторской и технологической документации для

серийного изготовления приборов в Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственное научно-производственное предприятие «Сплав» (ФГУП «ГНПП «Сплав»),

Разработанные приборы используются в ведущих медицинских учреждениях страны: Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А.Герцена (МНИОИ им. П.А.Герцена), Городская клиническая больница №31 г.Москва (ГКБ № 31), Клиническая больница №119 Федерального медико-биологического агентства (КБ № 119 ФМБА МЗ РФ), научно-исследовательский институт Скорой Помощи им. Н.В. Склифосовского, Российский Онкологический Научный Центр имени Н.Н. Блохина, Центральная городская больница г. Электросталь

Положения, выносимые на защиту:

— структура прибора для тактильной эндохирургической диагностики;

— математическая модель эластичной мембраны эндоскопического прибора тактильной диагностики.

— реализации датчика усилий эндоскопического прибора для восприятия тактильной информации;

— линейка эндоскопических приборов тактильной диагностики. Апробация работы. Работа выполнена в рамках государственных

контрактов № 13.G36.31.002 от 07.09.2010г. и № 02.522.11.2008 от 18.05.2007г. Результаты исследований были представлены: на научно-техническом семинаре в университете Soka, Токио, 2010; на рабочей встрече на Медицинском факультете, Карлов университет, Прага, 2012; на молодежной научной конференции в Бурятском государственном университете, Улан-Уде, 2007; на круглом столе по вопросам передачи тактильной информации, Keio University, Токио 2010; на семинаре по обмену опытом в Чешском техническом университете, Прага, 2012; на международной тематической конференции "Механорецепторная диагностика и тактильная трансляция", Москва, 2011; на VII Всероссийском форуме "Здоровье нации - основа процветания России", Москва, 2011; на выставках высоких технологий «Инновационная Россия» XI и

XII Международного Петербургского экономического форума, Санкт-Петербург, 2007 и 2008.

Публикации по теме диссертации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11 работах, из них 5 из перечня ВАК. По настоящей работе получено свидетельство о регистрации программ для ЭВМ в Роспатенте РФ, Патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений и списка литературы.

Глава 1. Аналитический обзор существующих приборов

Введение

Эволюционный процесс обеспечил человека органами чувств, позволяющими ему эффективно существовать во внешней среде. Объективная реальность, данная нам в ощущениях, воспринимается человеком как единое целое, при этом органы чувств дополняют друг друга, создавая единую картину неделимого мира. Лишение здорового человека того или иного вида восприятия приводит к его дезадаптации в среде даже обычного обитания.

За свою историю человек научился документировать и фиксировать свои ощущения. Зрительные образы фиксировались в виде наскальных рисунков или кинофильмов, звук - в виде записи на пластинке или электронном носителе. Тактильные же образы до настоящего времени не нашли возможностей широкого использования. Более того, даже в такой важной области как медицина до сих пор отсутствует сколь-нибудь объективная система, позволяющая описать и запомнить такого рода информацию.

Между тем развитие современной фундаментальной науки позволяет нам не только надеяться на прогресс в этой важнейшей области, но и сделать реальные шаги в направлении решения вопросов объективизации тактильной информации.

В конце 20-го века в хирургическом лечении наиболее распространенных заболеваний произошел существенный прогресс. Классические операции оказались потеснены эндоскопическими. В результате многократно снижается время пребывания больных в стационаре, исключается целый ряд тяжелый осложнений. В Российской Федерации таких операций ежегодно выполняется более полумиллиона.

Прогресс в развитии эндоскопической техники и высокий уровень

мастерства хирургов, выполняющих эти вмешательства, постоянно расширяет

показания к эндоскопическим операциям, однако имеется существенная

8

проблема, ограничивающая их применение. При открытой операции врач обычно производит ощупывание внутренних органов для уточнения распространения патологического процесса. Малые размеры разрезов, производимых при эндоскопических вмешательствах, делают тактильную диагностику невозможной, поэтому идея создания устройства для оценки плотности и неоднородности подлежащих тканей определяет актуальность темы, выбранной для выполнения дипломной работы.

Сложной диагностической проблемой является оценка состояния лимфатических узлов и органов грудной полости, так как они недоступны для пальпации при общем осмотре и недостаточно хорошо визуализируются при других неинвазивных методах обследования, поэтому изучение их тактильных характеристик в ходе торакоскопии является актуальной задачей.

1.1 Лапароскопия как вид хирургии

Лапароскопия (от греч. Ашгара — пах, чрево и греч. окояео — смотрю) -современный метод хирургии, в котором операции на внутренних органах проводят через небольшие (обычно 0.5-1.5 сантиметра) отверстия, в то время как при традиционной хирургии требуются большие разрезы. Лапароскопия обычно проводится на органах внутри брюшной или тазовой полостей.

Основной инструмент в лапароскопической хирургии - лапароскоп: телескопическая трубка, содержащая с систему линз и обычно присоединённая к видеокамере. К трубке также присоединён оптический кабель, освещённый "холодным" источником света (галогеновая или ксеноновая лампа). Брюшная полость обычно наполняется углекислым газом для создания оперативного пространства. Фактически, живот надувается как воздушный шар, стенка брюшной полости поднимается над внутренними органами как купол.

Выделяют диагностическую и оперативную лапароскопию. При диагностической лапароскопии, осмотрев органы брюшной полости, врач подтверждает или отвергает какой либо диагноз, или проверяет, например,

проходимость маточных труб. При оперативной лапароскопии врач устраняет обнаруженные патологические изменения.

Техника выполнения лапароскопического оперативного вмешательства, разумеется, слегка варьирует в зависимости от операции и больницы. Больного готовят к операции так же тщательно, как и для обычной открытой (суть операции остается неизменной, к тому же никогда не исключена возможность конверсии - перехода на открытый вариант выполнения вмешательства). Больной в течение операции находится на управляемой искусственной вентиляции легких.

Для выполнения лапароскопия производится раздувание брюшной полости газом - в 95% случаев используется углекислый газ. Делается это для того, чтобы приподнять брюшную стенку в форме купола над органами и обеспечить хороший обзор и доступ к ним.

Ассистент и хирург вводят через пупок длинную иглу Вереша. Ее конструкция с подпружиненным сердечником позволяет свести до минимума возможное повреждение подлежащих внутренних органов при проколе брюшной стенки. Убедившись при помощи нескольких тестов в том, что игла действительно находится в брюшной полости, к ней подсоединяется шланг от инсуффлятора. Этот сложный электронный аппарат позволяет подавать в полость углекислый газ и автоматически поддерживать в ней давление с точностью до 1 мм рт. ст. В брюшную полость вводят 3000—4000 смЗ воздуха, закиси азота или окиси углерода.

После того, как давление газа в полости достигло, в зависимости от выбора хирурга, 10-16 мм рт. ст., игла Вереша извлекается и через пупок вводится первый троакар - металлическая или пластиковая трубка, со вставленным в нее трехгранным или конусообразным стилетом. После прокола стенки стилет извлекается, а через гильзу (трубку) вводятся эндохирургические инструменты и лапароскоп. Лапароскоп представляет собой металлическую трубку диаметром 10, 5 или 2 мм (при микро-ла�