BR102017000165A2

BR102017000165A2 - System for robot assisted control of a transretal probe, for example, for use in the execution of prostatic ecografia

Info

Publication number: BR102017000165A2
Application number: BR102017000165-2A
Authority: BR
Inventors: Ippolito Massimo; Bordegnoni Stefano
Original assignee: Comau S.P.A.
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2017-07-18
Also published as: KR20170085441A; JP2017124168A; US20170202537A1; RU2016152685A; MX2017000593A; CA2953528A1; CN107019527A; ITUB20169976A1; EP3192449A1

Abstract

sistema para controle assistido por robô de uma sonda transretal, por exemplo, para uso na execução de ecografia prostática. um sistema (1) para controle de uma sonda transretal, por exemplo, uma sonda de ultrassom transretal para ecografia, compreende uma sonda (2) e uma estrutura (3) para suportar a sonda (2) que é mantida pelo pulso (6) de um robô manipulador de múltiplos eixos (4). há uma célula de carga (5) operativamente posicionada entre o pulso (6) do robô (4) e a sonda (2). o sistema compreende ainda uma unidade de controle eletrônica (e) para controlar o robô (4) e um dispositivo guia manual (7, 8) para guiar o robô, o qual está conectado à unidade de controle eletrônica (e) do robô (4) e compreende um elemento guia manual (71, 83), o qual pode ser manobrado por um operador para transmitir ao robô (4) movimentos que são uma função dos movimentos transmitidos sobre o elemento guia manual (71, 83). a unidade de controle eletrônica (e) do robô (4) recebe os sinais emitidos pela célula de carga (5) e ativa uma condição de alarme quando a célula de carga (5) indica que um valor limiar da tensão detectada é excedido. de preferência, o elemento guia manual (71, 83) é pré-configurado para fornecer ao operador um feedback tátil, por exemplo, de um tipo vibracional.

Description

"SISTEMA PARA CONTROLE ASSISTIDO POR ROBÔ DE UMA SONDA TRANSRETAL, POR EXEMPLO, PARA USO NA EXECUÇÃO DE ECOGRAFIA PROSTÁTICA" CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se refere, em geral, ao campo de sistemas e dispositivos para o controle de sondas transretais e se refere, em particular, ao controle de uma sonda de ultrassom transretal para ecografia, por exemplo, do tipo usado durante a execução de uma biópsia de próstata.

ESTADO DA TÉCNICA

[0002] Já estão em uso dispositivos do tipo indicado acima que compreendem uma sonda de ultrassom mantida em uma estrutura de suporte conectada à extremidade distai de um braço articulado. Estes dispositivos auxiliam o operador a manter precisamente uma posição desejada da sonda de ultrassom porém, em qualquer caso, não muito fáceis de usar, também em virtude do peso da estrutura que deve ser suportada pelo operador.

[0003] Do mesmo modo, já são conhecidas tentativas de fornecer sondas transretais controladas por robôs. Por exemplo, o documento de patente N° US 2015/0265354, depositado em nome da John Hopkins University, descreve uma sonda transretal controlada por robô de um tipo Imagiologia por Ressonância Magnética (Magnetic Resonance Imaging - MRI). No entanto, nenhuma destas tentativas se mostrou totalmente satisfatória em virtude das dificuldades de garantir a segurança do paciente e, ao mesmo tempo, um controle conveniente e preciso pelo operador.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[0004] O objetivo da presente invenção é superar os inconvenientes da técnica conhecida.

[0005] Mais em geral, o objetivo da invenção é fornecer um sistema para o controle assistido por robô de uma sonda transretal de qualquer tipo que seja extremamente conveniente e fácil de usar para o médico, garanta a segurança necessária para o paciente, permita um controle extremamente preciso do movimento e posicionamento da sonda e, finalmente, apresente um custo relativamente restrito de produção e manutenção.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0006] Com vista a atingir as finalidades acima, o assunto da invenção é um sistema para controle de uma sonda transretal, por exemplo, uma sonda de ultrassom transretal para ecografia, que compreende: - uma sonda transretal; - uma estrutura para suporte da dita sonda; - um robô manipulador de múltiplos eixos que tem um pulso que mantém a dita estrutura para suportar a dita sonda; - uma célula de carga operativamente posicionada entre o dito pulso do robô e a dita sonda transretal; - uma unidade de controle eletrônica para controle do dito robô; - um dispositivo guia manual para guiar o dito robô manipulador de múltiplos eixos, o qual está conectado à dita unidade de controle eletrônica do robô e compreende um elemento guia manual, o qual pode ser manobrado por um operador para transmitir movimentos ao robô que são uma função dos movimentos transmitidos sobre o dito elemento guia, - a dita unidade de controle eletrônica do robô sendo programada para controlar o dito robô com base no movimento manualmente transmitido por um operador sobre o dito elemento guia manual em vista de condução da sonda dentro do reto de um paciente; - a dita unidade de controle eletrônica do robô sendo, além disso, programada para receber sinais emitidos pela dita célula de carga e ativar uma condição de alarme quando a dita célula de carga indica que um valor limiar de tensão detectado pela mesma é excedido.

[0007] Graças às características supracitadas, o sistema de acordo com a invenção permite ao operador manobrar a sonda de uma maneira extremamente fácil e conveniente, ao mesmo tempo em que assegura um controle extremamente preciso do movimento e posicionamento da sonda e máxima segurança para o paciente.

[0008] A condição de alarme supracitada ativada pela unidade de controle eletrônica do robô pode consistir em paralisação do robô e/ou em emissão de um sinal de alarme visual e/ou um sinal de alarme acústico.

[0009] Em uma concretização preferida, o dito elemento guia manual está pré-configurado para fornecer ao operador um feedback tátil, por exemplo, de um tipo vibracional. De preferência, o feedback tátil tem uma intensidade proporcional à tensão detectada pela dita célula de carga.

[0010] Mais uma vez, no caso da concretização preferida, o dispositivo guia manual está rigidamente conectado, direta ou indiretamente, de preferência de forma removível, ao robô e, em particular, a um elemento que é móvel juntamente com a extremidade distai do robô.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS

[0011] Outras características e vantagens da invenção surgirão a partir da descrição a seguir com referência aos desenhos anexos, os quais são fornecidos puramente a título de exemplo não limitativo e nos quais: - a Figura 1 é uma vista esquemática do sistema de acordo com a invenção; - a Figura 1A é uma vista em uma escala ampliada de alguns detalhes ilustrados na Figura 1; - a Figura 2 é um diagrama de blocos que ilustra a operação do sistema da Figura 1; e - as Figuras 3 e 4 mostram duas vistas em perspectiva de um dispositivo guia manual ilustrado na Figura 1.

[0012] A Figura 1 ilustra um sistema 1 de acordo com a presente invenção, para controle assistido por robô de uma sonda transretal. O exemplo ilustrado aqui se refere ao caso de uma sonda de ultrassom que pode ser usada, por exemplo, para execução de uma biópsia de próstata. Qualquer sonda de ultrassom de um tipo conhecido pode ser adequada para esta finalidade. Por exemplo, o presente requerente conduziu os primeiros experimentos com uma sonda de ultrassom produzida pela companhia BK Ultrasound Systems e comercializada sob a marca comercial BioJet Fusion. De qualquer modo, deverá ser observado que a presente invenção é de aplicação geral e é adequada para ser usada para controlar uma sonda transretal de qualquer tipo.

[0013] O sistema 1 compreende um robô manipulador de múltiplos eixos 4. No exemplo ilustrado, o robô 4 é um robô antropomórfico que tem uma base 41 e uma coluna 42, a qual está montada rotativamente sobre a base 41 em torno de um primeiro eixo I verticalmente direcionado. O robô 4 tem um braço 43 montado na coluna 42 articulado em torno de um segundo eixo II horizontalmente direcionado. Há um antebraço montado no braço 43 designado pela referência 44. O antebraço 44 é articulado em torno de um terceiro eixo III, o qual também é horizontalmente direcionado; o antebraço 44 tem ainda a possibilidade de girar em torno de seu eixo longitudinal IV. O antebraço 44 do robô 4 é dotado, em sua extremidade oposta ao braço 43, com um pulso 6 montado com possibilidade de rotação em torno de dois eixos mutuamente ortogonais V, VI. De acordo com a técnica conhecida, cada um dos seis eixos I, II, III, IV, V e VI do robô é controlado por um respectivo motor elétrico (no desenho apenas o motor elétrico M que controla o primeiro eixo I é visível) através de um respectivo redutor. Os motores elétricos do robô são controlados de uma maneira conhecida por uma unidade de controle eletrônica E (ilustrada no diagrama de blocos da Figura 2). Em um exemplo de concretização que formou o assunto dos estudos e experimentos conduzidos pelo presente requerente, o robô produzido pelo presente requerente sob o nome comercial "RACER 3" provou ser particularmente adequado.

[0014] De acordo com a técnica conhecida, localizado na extremidade distai do pulso do robô 6 há um flange para fixação da ferramenta mantida pelo robô. No caso da presente invenção, em vez de uma ferramenta, há uma estrutura de suporte 3 associada a flange do robô 4 que mantém uma sonda de ultrassom transretal 2. Na concretização ilustrada na Figura 1, a estrutura de suporte 3 é constituída por um corpo principal 31 substancialmente em formato de L, ao qual está associada uma estrutura de suporte 32 sobre a qual está conectada a sonda transretal 2. No entanto, deverá ser observado que a estrutura 3 para suporte da sonda 2 pode ter qualquer configuração diferente daquela ilustrada aqui meramente a título de exemplo.

[0015] De acordo com uma característica essencial da presente invenção, o sistema 1 compreende ainda uma célula de carga 5 operativamente posicionada entre o pulso 6 do robô 4 e a sonda transretal 2. A Figura 1A é uma vista esquemática em uma escala ampliada da extremidade terminal do robô 4 a qual mostra, em particular, a célula de carga 5 posicionada entre o flange na extremidade distai do robô 4 e o corpo principal 31 da estrutura 3 que suporta a sonda 2. Mais em geral, é necessário que a célula de carga 5 seja interposta em qualquer ponto da cadeia de elementos que conectam mecanicamente a sonda 2 à extremidade distai do robô 4.

[0016] A célula de carga 5 é usada no sistema 1 para detectar, de preferência de uma forma contínua, a carga trocada entre a sonda transretal 2 e a parede do reto do paciente. Na presente descrição e nas reivindicações subsequentes, pela expressão "célula de carga" entenda-se qualquer tipo de dispositivo sensor concebido para detectar uma força ou uma carga. Esta expressão abrange o caso de um sensor unidirecional, concebido para detectar forças que atuam apenas em uma direção (por exemplo, a direção longitudinal da sonda 2) e o caso de um sensor, ou sistema de sensores, concebido para detectar forças e/ou binários de forças que atuam em uma série de direções.

[0017] Em um exemplo simplificado de concretização, a célula de carga 5 é dotada de um ou mais medidores de tensão elétrica. A tensão mecânica sobre a sonda 2 é medida de uma maneira conhecida em si através de detecção de uma variação de resistência elétrica no circuito elétrico dos medidores de tensão.

[0018] Conforme já mencionado, a sonda de ultrassom transretal para ecografia pode ser de qualquer tipo conhecido disponível no mercado. A sonda está disponível em associação com um dispositivo de processamento e exibição e um programa de processamento correspondente. O dispositivo de processamento e exibição pode, por exemplo, estar na forma de um computador pessoal portátil, tal como aquele designado por 9 na Figura 1.

[0019] De acordo com outra característica importante da invenção, o sistema 1 compreende um dispositivo guia manual para guiar o robô manipulador de múltiplos eixos 4, o qual está conectado à unidade de controle eletrônica E do robô (vide também o diagrama de blocos da Figura 2) e compreende um elemento guia manual, o qual pode ser manobrado pelo médico para transmitir ao robô 4 movimentos que são uma função dos movimentos transmitidos sobre o elemento guia manual.

[0020] Mais uma vez, com referência à Figura 1, são ilustrados simultaneamente na mesma dois diferentes dispositivos guia manuais 7 e 8 do robô, os quais podem ser usados como uma alternativa entre si. A concretização preferida é aquela que faz uso de um dispositivo guia manual 7 associado à extremidade distai do robô. As Figuras 3 e 4 ilustram duas vistas em perspectiva do dispositivo guia manual 7 o qual é do tipo conhecido ilustrado no documento EP 2 194 434 A1 depositado em nome do presente requerente. No exemplo ilustrado na Figura 1, o dispositivo guia manual 7 está associado à estrutura de suporte 3 da sonda 2. De acordo com o que já é conhecido a partir do documento EP 2 194 434 A1, o dispositivo guia 7 tem, internamente, um sistema de controle eletrônico de microprocessador de um tipo programável e um meio de memória regravável permanente. Há o elemento guia manual do dispositivo 7 designado pela referência 71, o qual é constituído por um botão com um número de graus de liberdade. O dispositivo 7 compreende ainda alguns botões de comprimir, dentre os quais um botão de comprimir 72 para ligar e desligar o dispositivo 7 e um botão de comprimir de armazenamento 73 que pode ser usado pelo operador para armazenar coordenadas do trajeto do robô manipulador 4. O dispositivo 7 também é, convenientemente, dotado de um conector 74 para conexão a um dispositivo de carregamento de um tipo conhecido (não representado aqui).

[0021] Mais uma vez, no caso da concretização preferida, o dispositivo guia manual 7 é dotado de um meio de comunicação sem fio de modo a estabelecer um canal de comunicação sem fio com a unidade de controle eletrônica do robô E. Para esta finalidade, há um módulo transceptor sem fio designado pela referência 75, o qual está conectado à unidade de controle eletrônica E.

[0022] O dispositivo 7 ilustrado nas Figuras 3 e 4 compreende ainda um invólucro de um formato prismático 76, dentro do qual está presente o sistema de controle correspondente e sobre o qual está localizado o botão 71. O circuito de controle do dispositivo 7 é de um tipo miniaturizado, de modo que as dimensões do invólucro 76 são bastante pequenas.

[0023] O dispositivo 7 é, além disso, dotado de uma pluralidade de correias 77 para uma rápida fixação à estrutura de suporte 3. Naturalmente, em vez das correias 77, pode ser usado outro meio de montagem adequado para uso sobre a estrutura de suporte 3.

[0024] No exemplo da Figura 4, o invólucro 76 tem uma respectiva base 78 que define um ou mais assentos de engate 79, os quais são concebidos para receber as respectivas porções 79a da base de montagem 79b sobre a qual as correias 77 são aplicadas.

[0025] O botão 71 tem, de preferência, seis graus de liberdade. Por exemplo, ao exercer uma pressão ou mesmo uma tração na direção axial sobre o botão 71, é provocado avanço ou recesso do antebraço 44 do robô manipulador 4. Ao comprimir o botão para a direita ou para a esquerda é obtido, respectiva mente, um deslocamento para a direita e para a esquerda do antebraço 44. Do mesmo modo, ao comprimir o botão para baixo (isto é, em direção ao sul do botão) ou para cima (isto é, em direção ao norte do botão) são obtidos movimentos correspondentes do antebraço 44. O botão 71 pode, além disso, ser girado no sentido horário ou anti-horário para obter movimentos de rotação relativos correspondentes.

[0026] Conforme indicado anteriormente, na Figura 1, há um segundo tipo de dispositivo guia manual designado pela referência 8 alternativo ao dispositivo guia manual 7. O dispositivo guia manual 8 é do tipo mouse com 6 graus de liberdade e é constituído por uma base 81 de um formato cilíndrico, a qual pode ser limitada a uma superfície plana (no exemplo da Figura 1, a base 81 é limitada a uma mesa sobre a qual o computador 9 repousa). Conectado à base 81, há um braço móvel 82, conectado à extremidade terminal do qual está o elemento guia 83 o qual, na concretização ilustrada na Figura 1, é um dispositivo de controle de alavanca de um tipo joystick. Assim como o dispositivo 7 anteriormente descrito, o dispositivo 8 também tem dimensões relativamente restritas. Um dispositivo deste tipo que está atualmente disponível no mercado é o dispositivo BioJet Fusion fabricado pela empresa BK Ultrasound Systems. Por esta razão, os detalhes de construção deste dispositivo não são ilustrados aqui.

[0027] A Figura 2 ilustra um diagrama funcional do sistema 1 de acordo com a presente invenção. As linhas L indicam, do ponto de vista funcional, o fato de que a célula de carga 5 está posicionada entre o flange na extremidade distai do robô 4 e a sonda 2. A unidade de controle eletrônica E do robô 4 recebe sinais de controle G do dispositivo guia manual 7 ou 8 quando de acionamento manual do elemento guia correspondente pelo médico. A unidade eletrônica E envia sinais de controle C para o robô 4 com base nos sinais de controle G provenientes do dispositivo guia manual 7 ou 8. Desta forma, o médico pode controlar o movimento da sonda de uma maneira fácil e intuitiva e sem ter de fazer qualquer esforço. No caso de uma sonda de ultrassom, o operador aciona a sonda através do dispositivo guia manual, controlando em tempo real a imagem do órgão (por exemplo, a próstata) obtida através da sonda.

[0028] De acordo com outra característica da invenção (vide mais uma vez a Figura 2), a unidade de controle eletrônica E é programada para receber os sinais S emitidos pela célula de carga 5 e ativar uma condição de alarme no caso onde a tensão detectada pela célula de carga 5 excede um valor limiar predeterminado. A condição de alarme ativada pela unidade eletrônica E pode consistir em paralisação do robô 4 e/ou em ativação de um alarme visual e/ou acústico, por exemplo, emitido por um emissor pré-configurado no dispositivo guia manual 7 ou 8. Graças à característica anterior, o sistema de acordo com a invenção garante a segurança necessária ao paciente, não obstante o fato de que o operador move a sonda transretal através do robô 4.

[0029] De acordo com outra característica da concretização preferida do sistema de acordo com a invenção, o elemento guia manual (71 ou 83) do dispositivo guia manual (7 ou 8) está pré-configurado para fornecer ao operador um feedback tátil, por exemplo, de um tipo vibratório, o qual é gerado com base em um sinal F produzido pela unidade de controle eletrônica E em função dos sinais S provenientes da célula de carga 5.

[0030] Desta forma, o uso do sistema de acordo com a invenção é ainda mais fácil e mais intuitivo, na medida em que o operador tem uma sensação direta do grau de resistência que a sonda encontra em seu movimento.

[0031] De acordo com esta característica preferida da invenção, o elemento guia 71, 83 compreende, consequentemente, um dispositivo tátil internamente de qualquer tipo conhecido, de modo que o operador possa receber sensações táteis em resposta aos deslocamentos da sonda 2. Dispositivos táteis são conhecidos e usados há algum tempo agora. Estes dispositivos podem, por exemplo, fazer uso de elementos piezelétricos pré-configurados sob a superfície externa de um botão e concebidos para serem colocados em vibração após um sinal elétrico ser enviado a eles.

[0032] O sistema pode ser pré-configurado para gerar o feedback tátil apenas quando o valor limiar supracitado da tensão detectada pela célula de carga 5 é excedido. No entanto, de preferência, o sistema é pré-configurado para gerar um feedback tátil no elemento guia 71, 83, tal como um feedback tátil vibracional, o qual é de uma intensidade que aumenta proporcionalmente à tensão detectada pela célula de carga 5. Neste Caso, o operador pode receber um sinal tátil crescente antes mesmo da condição de alarme ser atingida.

[0033] De preferência, a unidade eletrônica E é programada para fazer com que o robô 4 execute uma manobra inicial automática de aproximação da sonda 2 à sua posição inicial onde, então, o operador assume o controle total da sonda através do dispositivo guia manual do robô.

[0034] Conforme é evidente a partir da descrição anterior, o sistema de acordo com a invenção permite um controle assistido por robô de uma sonda transretal de qualquer tipo, o qual é extremamente conveniente e intuitivo para uso pelo médico e, ao mesmo tempo, garante a segurança necessária para o paciente. O sistema de acordo com a invenção permite, além disso, um controle extremamente preciso do movimento e posicionamento da sonda e faz uso de meios que são relativamente simples e baratos.

[0035] Naturalmente, sem prejuízo do princípio da invenção, os detalhes estruturais e as concretizações podem variar amplamente em relação àquilo que foi descrito e ilustrado aqui apenas a título de exemplo sem, deste modo, se afastar do âmbito da presente invenção, conforme especificado nas reivindicações subsequentes.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Sistema (1) para controle de uma sonda transretal, por exemplo, uma sonda de ultrassom transretal para ecografia, caracterizado pelo fato de que compreende: - uma sonda transretal (2); - uma estrutura de suporte (3) para suporte da dita sonda (2); - um robô manipulador de múltiplos eixos (4) que tem um pulso (6) que mantém a dita estrutura de suporte (3) da dita sonda (2); - uma célula de carga (5) operativamente posicionada entre o dito pulso do robô (6) e a dita sonda transretal (2); - uma unidade de controle eletrônica (E) para controle do dito robô (4); - um dispositivo guia manual (7, 8) para guiar o dito robô manipulador de múltiplos eixos (4), o qual está conectado à dita unidade de controle eletrônica (E) do robô (4) e compreende um elemento guia manual (71, 83) que pode ser manobrado por um operador para transmitir ao robô (4) movimentos que são função dos movimentos transmitidos sobre o dito elemento guia manual (71, 83); - a dita unidade de controle eletrônica (E) do robô (4) sendo programada para controlar o dito robô (4) com base no movimento transmitido manualmente por um operador sobre o dito elemento guia manual (71, 83), em vista de condução da sonda (2) no interior do reto de um paciente; - a dita unidade de controle eletrônica (E) do robô (4) sendo, além disso, programada para receber sinais emitidos pela dita célula de carga (5) e ativar uma condição de alarme quando a dita célula de carga (5) sinaliza que um valor limiar da tensão detectada é excedido.

2. Sistema (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita condição de alarme ativada pela dita unidade de controle eletrônica (E) do robô (4) causa a paralisação do robô (4).

3. Sistema (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a dita condição de alarme ativada pela dita unidade de controle eletrônica (E) provoca a emissão de um sinal de alarme visual e/ou um sinal de alarme acústico.

4. Sistema (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito elemento guia manual (71, 83) está pré-configurado para fornecer ao operador um feedback tátil, por exemplo, de tipo vibratório.

5. Sistema (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 4, caracterizado pelo fato de que o dito dispositivo guia manual (7, 8) está rigidamente conectado, direta ou indiretamente, ao dito pulso (6) do robô (4).

6. Sistema (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito dispositivo guia manual (7, 8) é dotado de um meio (77) para a sua ancoragem ao robô (4) ou à dita estrutura de suporte (3) da sonda (2).

7. Sistema (1), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o dito dispositivo guia manual (7, 8) está pré-configurado para fornecer um feedback tátil de uma intensidade proporcional à tensão detectada pela dita célula de carga (5).

8. Método para controle de um sistema (1) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que: - o dito robô (4) é controlado com base no movimento transmitido manualmente por um operador sobre o dito elemento guia manual (71, 83); e- uma condição de alarme é ativada quando a dita célula de carga (5) indica que foi excedido um valor limiar da tensão detectada.