01
Задача
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.
02
Исследования
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.
00
Сценарий использования
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.
00
Анализ конкурентов
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.
03
Дизайн
Концепция продукта
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.
00
Предыдущие варианты
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.
00
Техническое проектирование
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.
04
Изготовление прототипа
На этапе изготовления прототипа решали следующие задачи:
- 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.
- 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.
- 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. - Диоды располагались по краям светофильтра, т.е. свет от диодов «обрезался». В результате обсуждения приняли решение переработать и уменьшить размер платы.
- 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.
- Также была задача обеспечить постоянство положения при изменении температуры от +10 до +35 градусов, при изменении влажности от 30 до 75% и атмосферного давления.
- Проработали регулировку углов настройки камер, т.е. отсутствие крена и возможность каждой камеры соответствовать заданному углу.
- 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. - 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.
05
Задействовали технологии
- Промышленный дизайн
- 3D моделирование
- Формовка стеклопластика
- 3D печать по технологии FDM и SLA
- Мехобработка ЧПУ
- SMD пайка
- Финишная обработка
- Покраска и маркировка
- Финальная сборка
06
Срок исполнения
5 месяцев
07
Команда проекта
- Руководитель: Алексей Рубцов
- Консультант: Елена Орехова
- Дизайнер: Павел Николаев
- Инженер-конструктор: Дмитрий Зайцев
- Инженеры: Николай Кузьменко, Дмитрий Тукиш