IR (инфракрасная) стереокамера

Проектирование стереокамеры, работающей в инфракрасном спектре, было стратегической задачей в работе над системой хирургической навигации «AUTOPLAN».

До февраля 2019 года в состав комплекса входила стереокамера, которая включала проводные камеры с разъемом usb 3.0. Это было неудобно. Постоянно наблюдались провисания и некорректная работа. Корпус не позволял обеспечить удобную и надёжную регулировку — она сбивалась за счёт недостатков конструкции.

В связи с этим запланировали изменение корпуса и внутреннего наполнения стереокамеры.

АПК «AUTOPLAN» относится к высокотехнологичной медицинской помощи. В основе ее работы заложен принцип инфракрасного трекинга. За трекинг как раз отвечает стереокамера.

Такая навигационная система позволяет детально планировать операцию и осуществлять интраоперационный контроль с учетом особенностей пациента. А высокоточный и низкотравматичный доступ к области снижает число осложнений и повышает клинические результаты.

Негативных последствий для медицинского персонала и пациентов при использовании не выявлено.

Система непрерывно отслеживает хирургические инструменты относительно анатомических структур пациента, избегая повреждения функционально значимых зон. В стереокамере размещены 3 камеры: две – обеспечивают возможность инфракрасного трекинга и составляют стереопару. Третья камера отвечает за протоколирование хода операции и отображает его в режиме реального времени на экране монитора.

Аналогичные изделия на рынке есть. Это системы хирургической навигации таких компаний, как Brainlab, Medtronic, Stryker и др. В составе своей навигации они используют камеру производства компании NDI. Это камера, которая также обеспечивает возможность видимости хирургических инструментов в инфракрасном диапазоне. Она действительно очень точна по изготовлению, удобна в работе. Но есть нюансы в настройке: если камеру ударяют или она выходит из строя, её необходимо отправлять на завод изготовителя.

Главные отличия нашего продукта: дополнительно установленная камера прицеливания, есть беспроводной канал связи. А важное преимущество: возможность калибровки устройства непосредственно в клинике. Если по каким-либо причинам стереокамера вышла из строя, мы делаем модульную замену или изменения в программном обеспечении. И комплекс продолжает работать абсолютно корректно. Такая настройка занимает максимум один день.

Задача по расположению двух камер и четкому расстоянию между ними была задана изначально. Исходя из этого проектировался и дизайн. Мы отказались от круглых форм в пользу более жёстких и острых. Корпус сделали целиковым. Это ключевой момент для сохранения настройки стереокамеры.

Предыдущий корпус был разборный. Состоял из двух частей. При установке одной, закреплении к ней второй части вся настройка камер сбивалась.

Целиковый корпус позволяет от этого уйти и обеспечить невероятную точность сборки и последующей настройки. Более того, если до этого приведение в работоспособное состояние стереокамеры занимало 8-10 часов, то с переходом на новый корпус юстировка существенно сократилась по времени. Процедура стала прогнозируемой.

«AUTOPLAN» — это АПК. В него входят аппаратная часть (стойка) и программная (компьютерный блок, педали, монитор). При проектировке корпуса стереокамеры необходимо было учесть все оборудование.

Нами были собраны несколько вариантов стереокамер, которые тестировались в клиниках.

По итогам полученной обратной связи мы разработали финальный вариант дизайна и внутреннего устройства камеры, который используется в настоящее время.

Вот такую камеру смоделировали.

Для стабильности и надёжности работы приняли решение перейти на IP-камеры. Они работают от роутера. По специфике медицинских изделий все разъёмы, выходы и провода необходимо свести к минимуму. Поэтому состав стереокамеры проектировали с учетом расположения в ней несколько изделий.

На этапе изготовления прототипа решали следующие задачи:

1. Крепление диодов. В первом варианте корпуса оно было неудачно: диоды надевались на объектив камеры и не были закреплены. При итоговой сборке после настройки камеры могла сбиться фокусировка.
2. От диодов происходил «засвет» кадров. Это недопустимо, поскольку камера при этом не видит инструмент хирурга. Для решения проблемы продумали варианты дополнительных переходников, установили мягкое кольцо.
3. Кронштейн стереокамеры при установке в верхнее положение не закреплялся жестко. Наблюдалось смещение вверх/вниз от исходного положения. Работа с эксцентриковым зажимом была неудобна, т.к. в данном зажиме были небольшие и тяжелозатягиваемые ручки.
   Мы использовали зажимную длинную рукоятку и блокируемую газовую пружину. Это позволило минимизировать смещение кронштейна стереокамеры от закрепленной позиции, а длинные ручки сделали работу легкой и удобной.
4. Диоды располагались по краям светофильтра, т.е. свет от диодов «обрезался». В результате обсуждения приняли решение переработать и уменьшить размер платы.
5. Учли серьезные требования по каркасу, к которому крепятся камеры: он не должен допускать смещение и колебания камер относительно друг друга. Транспортировка и установка стереокамер происходят регулярно, а значит, есть определённые встряски. В операционной медицинский персонал при работе с комплексом также может ее задеть. Поэтому обеспечить жёсткость положения камер после проведения юстировки было необходимо.
6. Также была задача обеспечить постоянство положения при изменении температуры от +10 до +35 градусов, при изменении влажности от 30 до 75% и атмосферного давления.
7. Проработали регулировку углов настройки камер, т.е. отсутствие крена и возможность каждой камеры соответствовать заданному углу.
8. При первоначальной разработке было использовано много дополнительного металла, что существенно увеличивало вес устройства.
   Когда стереокамера перемещается вес может сыграть ключевую роль, и навигация будет невозможна. Итоговая версия весит всего 3,5 кг. Это очень хороший вес в нашем случае.
9. Выход проводов для подключения.
   При выводе кабеля в низ стереокамеры ее невозможно было даже положить. Это создавало дополнительный виток проводов при её установке. Поэтому разъёмы сместили в боковую часть. В итоговом варианте использовали всего 2 кабеля. В составе стереокамеры все максимально уплотнено, а наружу выходят только кабель питания и ethernet.

— Промышленный дизайн
— 3D моделирование
— Формовка стеклопластика
— 3D печать по технологии FDM и SLA
— Мехобработка ЧПУ
— SMD пайка
— Финишная обработка
— Покраска и маркировка
— Финальная сборка