Оценка эффективности наносекундной лазерной роботизированной хирургии при проведении малоинвазивных операций челюстно-лицевой области в эксперименте

Развитие хирургического направления в медицине идет по пути модернизации минимально инвазивных методик. Такая тенденция сопряжена с развитием робототехнических и лазерных технологий. Этому способствует и значительный прорыв в разработке новых приборов с возможностью использования искусственного интеллекта, новейших лазерных аппаратов с уникальными параметрами [1, 2].

Успешность операций с использованием роботической хирургической системы daVinci свидетельствует о широком внедрении роботизированных технологий в различные области медицины. Опыт применения данной системы показывает значительные преимущества роботизированных технологий не только по сравнению с открытыми полостными вмешательствами, но и перед лапароскопическими методиками [3, 4].

В настоящее время в мировой медицинской индустрии разрабатываются роботические системы для проведения хирургических вмешательств в основном в узких областях медицины — ангиологии, гинекологии, офтальмологии и др. Однако пока не создано роботов для выполнения минимально инвазивных операций в области головы и шеи. Хирургические вмешательства в данной области требуют филигранной техники, так как повреждение тончайших анатомических структур: мышц, сосудов и нервов, воздухоносных синусов — может привести к серьезным осложнениям, увеличению длительности лечения [5].

Разработка и создание отечественной роботизированной хирургической системы для лечения сложной патологии челюстно-лицевой области с возможностью интеграции лазерного модуля в манипуляторы робота-хирурга, доставляющего световые потоки лазерного излучения в глубокие анатомические структуры головы и шеи, является перспективным направлением развития медицинской промышленности и реализации программы совершенствования оказания медицинской помощи населению России.

С целью создания мультифункционального роботизированного хирургического комплекса на первом этапе разработан компактный лазерный модуль с уникальными характеристиками, а также с возможностью использования комбинированного низкоинтенсивного и высокоинтенсивного излучения и фотохимического воздействия на кислород в тканях [6].

Следующим этапом стала разработка стенда для челюстно-лицевой области на основе манипуляционного робота сотрудниками Московского государственного медико-стоматологического университета им. А.И. Евдокимова и Московского государственного технического университета «СТАНКИН».

Цель исследования — изучение среднеквадратического отклонения от заданной траектории при выполнении стандартных хирургических разрезов с применением лазерного излучения наконечником, встроенным в манипуляционный робот, в сравнении с рукой хирурга с использованием мануального тренажерного комплекса.

Материалы и методы. В исследовании использован роботизированный стенд мультифункционального хирургического комплекса, который включает следующие подсистемы: манипуляционный робот, мануальный тренажерный комплекс, фантом головы пациента и рабочее место хирурга.

Манипуляционный робот (рис. 1) представляет собой шарнирный семизвенный механизм с последовательной кинематической структурой. Приводы манипулятора имеют модульную компоновку и состоят из электродвигателя, волнового редуктора, датчика положения и датчика момента.

---

Рис. 1. Внешний вид манипуляционного робота для челюстно-лицевой хирургии: 1 — манипулятор Leichtbauroboter 4+ (KUKA AG, Германия); 2 — прототип рабочего органа: а — держатель лазерного световода; б — лазерный отражатель координатно-измерительной машины

---

Такой робот позволяет осуществлять функциональные движения с медицинским инструментом, частично выполняет функции хирурга, повышая его естественные возможности.

Медицинским инструментом в манипуляционном роботе является лазерный рабочий орган EMPD-1260-2P, разработанный исследовательской группой кафедры хирургии полости рта Московского государственного медико-стоматологического университета им. А.И. Евдокимова и сконструированный в ООО «Новые хирургические технологии» (Москва). Оптическое излучение создается в нем многомодовым полупроводниковым лазером на основе структуры AlGaAs с прямой токовой накачкой.

Рабочий орган EMPD-1260-2P представляет собой импульсный драйвер накачки, конструктивно объединенный с диодно-лазерным модулем с длиной волны излучения λ=1260 нм.

Драйвер накачки лазера работает в импульсном режиме, позволяя получать различную мощность оптического излучения на выходе за счет изменения частоты импульсов тока накачки (рис. 2).

---

Рис. 2. Принципиальная схема драйвера накачки лазера

---

Драйвер тока накачки представляет собой разрядный контур, состоящий из накопительной емкости C1+C2, полупроводникового лазера L1 и пары динисторов VS1 и VS2. Динисторы включены последовательно и специально подобраны по электрическим параметрам. На VS2 подается положительный импульс запуска амплитудой, превышающей напряжение его включения. После открывания VS2 все напряжение питания переходит на VS1, и он также открывается. Суммарное напряжение включения этой пары динисторов превышает напряжение питания лазера Uлишь на несколько вольт. Через открытые VS1 и VS2, а также через лазер L1 происходит разряд емкостей контура. Таким образом, формируется импульс тока накачки. Конденсаторы C1 и C2 заряжаются во время паузы между импульсами запуска через зарядный резистор R, включенный одновременно с лазером L1.

Выходной оптический кабель лазера представляет собой световод с кварцевой сердцевиной диаметром 600 мкм, покрытый защитной пластиковой оболочкой. Оптический кабель способен пропускать излучения с длиной волны до 2,5 мкм. Минимальный радиус изгиба кабеля по условию прочности сердцевины составляет 40 мм. Максимальная длина — 3 м. Коэффициент пропускания оптического кабеля — не менее 80%. Числовая апертура световода — f/0,22. Воздействие лазерного излучения на биологические ткани происходит непосредственно с дистального конца световода.

Для управления режимами работы лазера, установленного на многостепенном роботе, необходимо подключить каналы блока питания через электромагнитные реле к блоку дискретных выходов устройства управления роботом.

В контроллере манипулятора используется 16-канальный модуль дискретных выходов KL2809 (Beckhoff Automation, Германия).

Для коммутации каналов блока питания лазера по сигналу управления от контроллера робота применяется электромагнитное реле PE034024 (TE Connectivity, Швейцария). Данное реле управляет сигналом +24В, подаваемым с блока дискретных выходов KL2809.

Для измерения точек координат при функциональных движениях и типовых траекториях движения использовали лазерную координатно-измерительную машину Leica Laser Tracker LTD800 (Leica Geosystems, Швейцария).

Для измерения координат точек в пространстве применяли портативную стереофотограмметрическую координатно-измерительную машину Actiris 350 (ActiCM, Франция).

В подсистеме мануального тренажерного комплекса, предназначенной для определения положения и ориентации медицинского инструмента при его мануальном перемещении и для осуществления тренажерной функции роботизированного стенда, разработан прототип рабочего органа (рис. 3). Он предназначен для сопряжения держателя оптического световода медицинского лазера с фланцем 6-степенного манипулятора, а также для закрепления на нем лазерного отражателя координатно-измерительной машины, необходимой для контроля положения и скорости рабочего органа при его движении по траектории.

---

Рис. 3. Прототип рабочего органа мануального тренажерного комплекса: 1 — щуп стереофотограмметрической координатно-измерительной машины; 2 — рефлектор; 3 — жесткая база; 4 — сферический рубиновый наконечник; 5 — уголковый отражатель лазерной координатно-измерительной системы; 6 — связующая оснастка; 7 — насадка, имитирующая медицинский инструмент

---

Печать разработанной модели рабочего органа осуществляли на 3D-принтере WANHAO Duplicator 6 (WANHAO Precision Casting Co., Ltd, Китай) из термоустойчивой пластмассы.

Экспериментальное исследование проводили по типовым траекториям (рис. 4) с учетом функциональных движений медицинского инструмента при выполнении хирургических вмешательств с использованием лазерного инструмента.

---

Рис. 4. Типовые функциональные траектории движения медицинского лазера: а — полулунная; б — фестончатая; в — прямолинейная

---

Для измерения координат точек на типовых траекториях движения на медицинском инструменте устанавливали отражатель лазерного трекера. Измерение координат точек осуществляли путем сканирования с частотой дискретизации не менее 200 Гц.

Величину среднеквадратического отклонения различных измеряемых величин вычисляли в соответствии со следующим выражением:

где p_m — среднее значение измеряемой величины; p_i — значение измеряемой величины в каждой точке i; n — количество точек. Для получения статистически значимых результатов каждый эксперимент проводили с 10-кратным повторением с последующим вычислением среднестатистической величины.

Результаты и обсуждение. После проведения измерений определяли среднеквадратические отклонения от линейной σ_l, полулунной σ_c и фестончатой σ_f траекторий. Среднеквадратическое отклонение точек от траектории есть величина отклонения каждой измеренной точки траектории от ее проекции на среднюю линию (модель), построенную по методу наименьших квадратов (среднеквадратическое отклонение точек от траектории при мануальных перемещениях имеет индекс H, при перемещении роботом — индекс R).

В случае линейной траектории средней линией является прямая. График отклонений от этой прямой измеренных координат точек во время мануальных перемещений представлен на рис. 5, а, во время перемещений роботом — на рис. 5, б.

---

Рис. 5. Отклонение координат точек от прямой по линейной траектории: а — траектория проведена человеком; б — траектория проведена роботом

---

По приведенной формуле рассчитаны значения среднеквадратических отклонений измеренных координат точек от прямой при перемещении роботом — σ_Rl=0,035 мм и при мануальных перемещениях — σ_Hl=0,393 мм.

У полулунной траектории движения средней линией является дуга окружности; график отклонений измеренных от нее координат точек при проведении мануальных перемещений представлен на рис. 6, а, при перемещении роботом — на рис. 6, б.

---

Рис. 6. Отклонение координат точек от окружности у полулунной траектории: а — траектория проведена человеком; б — траектория проведена роботом

---

По указанной формуле определены значения среднеквадратических отклонений измеренных координат точек от окружности при перемещении роботом — σ_Rl=0,054 мм и при мануальных перемещениях — σ_Hl=0,294 мм.

В отличие от линейной и полулунной траектории фестончатая траектория является сложной. Мы рассматривали ее как совокупность простых траекторий — одну линейную и несколько полулунных. Таким образом, фестончатая траектория включает в себя несколько малых окружностей (в текущем исследовании их восемь), центры которых лежат на одной прямой. Набор сканированных точек (багровые и салатовые) траекторий движения медицинского инструмента и их средние линии при мануальных перемещениях представлены на рис. 7, а, при перемещении роботом — на рис. 7, б.

---

Рис. 7. Набор сканированных точек траектории движения медицинского инструмента по фестончатой траектории: а — траектория проведена человеком; б — траектория проведена роботом

---

Процесс определения среднеквадратических отклонений от координат точек фестончатой траектории состоит из нескольких этапов.

1. Определение среднеквадратического отклонения от каждой малой окружности в соответствии с приведенной формулой. Значения этих отклонений в измеренных координатах точек для мануальных перемещений и перемещений роботом приведены в таблице. Наблюдается разброс в значениях σ_Hfc по отношению к σ_Rfc на каждой окружности.

2. Определение среднего значения всех средне­квадратических отклонений у каждой из малых окружностей на фестончатой траектории. При мануальных перемещениях величина σ_Hfcm=0,176 мм, при перемещении роботом — σ_Rfcm=0,053 мм.

3. Определение среднеквадратического отклонения от прямой, равноудаленной от всех полученных центров малых окружностей (рис. 8). Это необходимо, поскольку при генерации точек траектории центры всех окружностей лежали на одной прямой как при проведении перемещения роботом, так и человеком. Значение среднеквадратического отклонения в соответствии с приведенной формулой рассчитано для перемещений роботом — σ_Rfl=0,206 мм и для мануальных перемещений — σ_Hfl=0,902 мм. При мануальных перемещениях (рис. 8, а) присутствует значительный выброс, влияющий на значение σ_Hfl. Ввиду того, что при работе человека случайные ошибки могут значительно преобладать, принято решение не фильтровать данный выброс.

---

Рис. 8. Отклонение координат центров малых окружностей от прямой на фестончатой траектории: а — траектория проведена человеком; б — траектория проведена роботом

---

Следует отметить, что при определении диаметров каждой малой окружности по измеренным точкам фестончатой траектории во время как мануальных (D_H), так и автоматических (D_R) перемещений (см. таблицу) обнаружена значительная погрешность по отношению к заданному размеру. Данная погрешность может иметь различную природу: в случае мануальных перемещений это относится к человеческому фактору, в случае автоматических — к нежесткости используемого робота или к погрешности алгоритма обработки экспериментальных данных, связанной с малой величиной дуги на окружности (программное обеспечение лазерного трекера Spatial Analyzer, New River Kinematics, США).

---

Среднеквадратические отклонения от каждой из малых окружностей измеренных координат точек фестончатой траектории и диаметры этих окружностей, мм

---

В результате обработки данных выявлено, что среднеквадратическое отклонение точек от линейной траектории при мануальном перемещении в 11 раз больше (p≤0,05), чем при перемещении роботом; среднеквадратическое отклонение точек от полулунной траектории при мануальном перемещении в 5 раз больше (p≤0,05), чем при перемещении роботом.

Фестончатая траектория оценена при помощи двух составляющих — среднеквадратического отклонения у каждой из малых окружностей и от прямой, рав­но­удаленной от всех полученных центров малых окружностей. Среднее значение всех отклонений у каждой из малых окружностей на данной траектории при мануальных перемещениях в 3 раза больше (p≤0,05), чем при перемещении роботом. Среднеквадратическое отклонение от прямой, равноудаленной от всех полученных центров малых окружностей при мануальных перемещениях, в 4 раза больше (p≤0,05), чем при перемещении роботом.

Таким образом, среднее значение среднеквадратического отклонения от различных траекторий (линейной, полулунной, фестончатой) при мануальном перемещении в 3,3 раза больше, чем при перемещении роботом.

Заключение. Применение роботизированных лазерных комплексов, в частности разработанного нами для челюстно-лицевой области, позволит существенно повысить точность перемещений медицинского лазера, что особенно важно на сложных траекториях.

Финансирование исследования. Работа поддержана средствами субсидии по государственному заданию Министерства здравоохранения РФ 056-00139-16.

Конфликт интересов. У авторов нет конфликта интересов.