ES2203318B1 - Sistema de teleoperacion de robots para cirugia laparoscopica. - Google Patents
Sistema de teleoperacion de robots para cirugia laparoscopica.Info
- Publication number
- ES2203318B1 ES2203318B1 ES200200708A ES200200708A ES2203318B1 ES 2203318 B1 ES2203318 B1 ES 2203318B1 ES 200200708 A ES200200708 A ES 200200708A ES 200200708 A ES200200708 A ES 200200708A ES 2203318 B1 ES2203318 B1 ES 2203318B1
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- robot
- laparoscopic surgery
- endoscope
- surgery according
- surgeon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Manipulator (AREA)
- Endoscopes (AREA)
Abstract
Sistema de teleoperación de robots para cirugía laparoscópica, capaz de mover un instrumento quirúrgico en respuesta a las órdenes de un cirujano presente en el quirófano o situado en una localización distante. El sistema consta de un robot manipulador dotado de un efector final que permite sujetar un instrumento quirúrgico, un controlador para el robot integrado en la estructura del mismo, y un sistema de interfaz para ordenar las acciones deseadas al sistema. Este sistema de interfaz consta de un módulo anexo al controlador del robot, que interpreta las órdenes que el usuario desea que ejecute el robot, y unos medios para emitir dichas órdenes. Estos medios de entrada pueden encontrarse físicamente dentro del quirófano en el que se realiza la operación, o pueden situarse en un punto remoto, comunicado con el resto del sistema a través de una red de comunicaciones. El conjunto robot, controlador y módulo anexo del sistema de interfaz se alimenta mediante baterías. Asimismo pueden alimentarse con baterías los medios de entrada de órdenes.
Description
Sistema de teleoperación de robots para cirugía
laparoscópica.
Las operaciones quirúrgicas mediante técnicas
laparoscópicas consisten en realizar la intervención a través de
pequeñas incisiones en el abdomen del paciente. A través de estas
incisiones se hacen pasar los instrumentos requeridos por la
operación en concreto, así como la óptica de una cámara que
permite al cirujano ver la zona en la que se realiza la
intervención. Esta técnica permite disminuir drásticamente el tamaño
de las incisiones que se necesitan realizar, lo que se traduce en
menores riesgos para el paciente, menores tiempos de
post-operatorio y menores costes económicos de la
intervención.
Actualmente el procedimiento normal en estas
operaciones consiste en sostener la cámara mediante la ayuda de un
asistente, mientras que el cirujano maneja el instrumental
quirúrgico insertado en el abdomen del paciente. Esto requiere una
gran coordinación entre el ayudante y el cirujano, que por
conseguida que esté siempre presenta tres problemas
fundamentales:
- 1)
- El cirujano debe hacer entender en cada instante qué es lo que quiere que haga el ayudante. Esto se encuentra sujeto a todos los problemas propios de la comunicación verbal, y no siempre se consiguen los resultados que espera el cirujano. Por muy compenetrado que esté un cirujano con su ayudante, suelen darse situaciones en las que el cirujano no explica bien su deseo o el ayudante lo malinterpreta.
- 2)
- La imagen, al ser sujetada la cámara por una persona, no es totalmente estable, resultando afectada por el pulso del ayudante que la maneje. Este efecto se hace más acusado según se va prolongando la intervención.
- 3)
- El asistente, situado en una posición incómoda, tiene dificultades para mover con precisión la cámara, sobre todo cuando empieza a verse afectado por el cansancio. Esto hace que en ocasiones la óptica de la cámara roce alguna víscera, lo que a su vez obliga a extraerla y limpiarla. Este problema prolonga el tiempo de la operación, y por consiguiente, el tiempo que el paciente está sometido a anestesia, con lo que aumentan los riesgos inherentes a la misma.
Así mismo, hay ocasiones en las que el cirujano
necesita usar más de dos instrumentos a la vez, lo que requiere
la participación de un segundo cirujano. Esto agrava el primero de
los problemas de coordinación detallado más arriba.
Además, los puntos de entrada en el abdomen de
los instrumentos quirúrgicos no pueden modificarse lateralmente,
lo que limita la movilidad de dicho instrumental a dos rotaciones
en torno al punto de inserción, una en torno al eje de la
herramienta y un desplazamiento a lo largo de dicho eje. La
naturaleza de estos movimientos plantea una serie de problemas a la
manipulación:
- 1)
- Inversión del movimiento. El punto de inserción actúa como un fulcro, haciendo que la herramienta pivote en torno a él (salvo en el movimiento de penetración- extracción). Así, un movimiento hacia la derecha de la mano del cirujano se traduce en un movimiento hacia la izquierda del extremo del instrumento.
- 2)
- Escalado. Como si de una palanca se tratase, la herramienta amplifica o atenúa el movimiento del cirujano en función de la penetración. Para una penetración por encima de un determinado valor, se da la amplificación; por debajo, la atenuación. Hay que destacar que este efecto no se limita a los desplazamientos, sino también a las fuerzas ejercidas.
- 3)
- Pérdida del tacto. Las texturas de los tejidos y los esfuerzos, de gran ayuda para los cirujanos en los procedimientos de cirugía abierta, se transmiten muy probremente en las técnicas endoscópicas, pues se pierde el contacto directo con los tejidos. A esto hay que añadir el efecto del fulcro y de la fricción en el trocar, que falsean y filtran la poca información de este tipo que puede llegar al cirujano.
Al igual que los problemas visuales, los
problemas que plantea la manipulación en cirugía mínimamente
invasiva pueden superarse en gran parte mediante un intenso
aprendizaje. Pero, también del mismo modo, ello persuade a algunos
cirujanos frente a la incorporación a estas técnicas.
La presente memoria describe un sistema
telerrobótico que permite manejar con seguridad un instrumento
quirúrgico en las operaciones de cirugía laparoscópica. El control
de este instrumento puede llevarse a cabo según dos estrategias:
local, cuando el cirujano que envía las órdenes al robot que mueve
el instrumento se encuentra en el quirófano en el que se realiza
la operación; y remota, cuando el cirujano que ordena los
movimientos del robot, y por tanto del instrumento que éste
porta, se encuentra en una localización física distante del
quirófano en el que se desarrolla el procedimiento quirúrgico. En la
primera estrategia, se eliminan todos los problemas propios de la
coordinación entre el ayudante y el cirujano, pues es éste quién
decide cuándo y cómo se mueve el instrumento. En la segunda
posibilidad, el cirujano presente en el quirófano puede recibir la
ayuda y el consejo de otro cirujano, con más experiencia en una
técnica concreta. Asimismo, esta estrategia puede utilizarse con
fines formativos.
El sistema consta de un robot de tres grados de
libertad, un efector final especialmente diseñado para sujetar un
instrumento quirúrgico para cirugía laparoscópica, un controlador
para el brazo robot integrado en la estructura del mismo y un
sistema de interfaz que permite interpretar las órdenes del
cirujano y transmitirlas al controlador antes mencionado. Todo el
sistema está dotado de alimentación eléctrica mediante baterías. El
efector final está diseñado de modo que añade dos grados de
libertad pasivos al robot. Esto hace que el movimiento del útil
de laparoscopia dentro del abdomen del enfermo sea más seguro, por
cuanto la utilización del instrumental quirúrgico empleado en
laparoscopia habitualmente (cuando es usado directamente por los
cirujanos) se basa en movimientos en torno a un punto de pivote
constituido por el lugar en el que el instrumental atraviesa la
piel del paciente. El uso de estas dos articulaciones pasivas
permite que el punto de pivote sea establecido de un modo natural
por el movimiento del instrumento, al igual que pasa cuando quien
maneja la herramienta es un humano, frente a lo que pasaría si el
instrumento estuviese fijado directamente a la muñeca del robot,
pues el establecimiento del punto de pivote vendría determinado
por los cálculos que se hiciesen para estimarlo. En este caso,
cualquier error tendría como resultado que el sistema robótico
tendiese a forzar el punto de pivote desde su situación real a la
estimada empujando la piel del enfermo. En función de la magnitud
de ese error, un fallo en la estimación del punto de pivote podría
dar lugar a situaciones peligrosas, como desgarros en la piel del
paciente.
Figura 1: esquema general del sistema de
teleoperación de robots para cirugía laparoscópica. Se muestra el
manipulador quirúrgico, con un instrumento quirúrgico instalado
mediante un adaptador, situado junto a la mesa de operaciones.
Figura 2: esquema articular del brazo robot,
incluyendo el efector final que sujeta el instrumento quirúrgico
(representado como una flecha).
Figura 3: esquema articular del efector final que
sujeta el instrumento quirúrgico. Incluye dos articulaciones
pasivas (a) y (b) que permiten que el instrumento quirúrgico se
mueva con dos grados de libertad. La primera está dispuesta con su
eje de rotación paralelo a los de las articulaciones actuadas del
manipulador.
Figura 4: adaptador del instrumento quirúrgico en
el efector final. En el esquema aparece representado sujetando la
óptica (a) (no representada en su longitud total) de una cámara de
laparoscopia. Las articulaciones pasivas están designadas (b) y
(c).
Figura 5: esquema articular del brazo robot
incluyendo la representación de los sistemas de referencia
empleados para obtener el modelo cinemático directo del mismo.
Estos sistemas se han escogido y situado según el método de
Denavit-Hartenberg.
Figura 6: diagrama de bloques del sistema de
teleoperación de robots para cirugía laparoscópica. El controlador
del robot se comunica con el sistema de interfaz, formado por un
módulo interno, anexo al mencionado controlador e integrado en la
estructura mecánica del brazo robot, unos medios de representación
de información y unos medios de entrada de órdenes. Los
mencionados medios de representación de información y medios de
entrada de órdenes pueden tener una réplica situada en una
localización distante, y comunicarse con el módulo interno anexo
al controlador mediante una red de comunicaciones, para permitir
que un usuario remoto interactúe con la intervención que se lleva
a cabo en el quirófano en el que está presente el robot que
pertenece al sistema.
Figura 7: sistema de referencia empleado para el
cálculo de los movimientos que debe realizar el brazo en
correspondencia con las órdenes recibidas. El eje Z sigue el del
instrumento quirúrgico, con el sentido positivo apuntando al
paciente. El eje X coincide en dirección con el eje de la primera
articulación pasiva del efector final. El eje Y coincide con el
de la segunda articulación pasiva del efector final. El sentido
positivo de los ejes X e Y es el que se muestra en la figura.
Figura 8: cálculo del punto de pivote del
instrumento quirúrgico una vez insertado en el paciente. El
instrumento se mueve una distancia conocida dx en una
dirección también conocida del sistema de referencia situado en el
propio instrumento (en la representación la dirección es la del
semieje X positivo). L_0 es la distancia del punto de pivote al
origen del sistema de referencia situado en el endoscopio;
\alpha_0 es el ángulo inicial en uno de los ejes del sistema de
referencia antes mencionado (en la representación, en el eje X);
\alpha_1 es el ángulo final en uno de los ejes del sistema de
referencia antes mencionado.
El sistema consta de un brazo robot de tres
grados de libertad, un efector final especialmente diseñado para
sujetar un instrumento quirúrgico para cirugía laparoscópica, un
controlador para el brazo robot integrado en la estructura del mismo
y un sistema de interfaz que permite interpretar las órdenes del
cirujano y transmitirlas al controlador antes mencionado. El
sistema de interfaz consta a su vez de un módulo interno, anexo al
controlador, y unos medios de entrada de órdenes que permiten al
cirujano mover el instrumento quirúrgico, por medio del robot, de
acuerdo con sus deseos. El módulo interno genera las órdenes de
movimiento apropiadas para el robot en respuesta a las consignas
del cirujano, que expresa a través de los medios de entrada. Si es
precisa la colaboración de un cirujano situado en una
localización remota, el sistema también incluye unos medios de
entrada para éste, conectados a una red de comunicaciones de
características apropiadas.
El brazo robot está instalado sobre un montaje
móvil que se puede situar al lado de la mesa de operaciones
(Figura 1). El montaje dispone de frenos o un sistema análogo que
permite inmovilizarlo. Tanto el montaje como el propio brazo pueden
cubrirse con una funda estéril. En la base de dicho montaje móvil
se encuentra el controlador, junto con un sistema de baterías que
provee alimentación eléctrica al conjunto. También en la estructura
del brazo manipulador se sitúa el módulo interno del sistema de
interfaz, encargado de generar las órdenes de movimiento
apropiadas para que el robot mueva el instrumento quirúrgico
adosado según los deseos que el cirujano expresa a través de los
medios de entrada de órdenes. Éstos pueden ser locales, si el
cirujano que los emplea está presente en el quirófano en el que se
desarrolla la operación, o remotos, si los utiliza un cirujano que
presta su ayuda desde una localización distante. Ambas posibilidades
no son excluyentes, de manera que el control del robot quirúrgico
puede ser ejercido por dos (o más) cirujanos alternativamente
durante la misma intervención.
El brazo robot (Figura 2) consta de una primera
articulación prismática (a). Esta articulación prismática se mueve
en el eje z de un primer sistema de coordenadas. Una segunda
articulación (b), de revolución, mueve el segundo miembro del robot
(c) en un plano paralelo al plano x-y definido por
el primer sistema de coordenadas. Al segundo miembro del robot (c)
está unida una tercera articulación (d) también de revolución, que
mueve al tercer miembro del robot (e) en el mismo plano que la
articulación (b). A este miembro (e) va unido un efector final (f)
que permite sujetar con seguridad un endoscopio, y que añade dos
grados de libertad pasivos al conjunto. Estos dos grados de
libertad pasivos permiten usar con seguridad el endoscopio, puesto
que impiden que se fuerce la piel del paciente cuando se mueve
este instrumento, aun a pesar de que se pudiera cometer algún
error en el movimiento.
En la muñeca del robot se fija el efector final
antes mencionado (Figura 3). Consta de dos articulaciones pasivas
(a) y (b) que permiten que el instrumento quirúrgico se mueva con
dos grados de libertad cuando no está insertado en el abdomen del
paciente. Estos dos grados de libertad dotan al sistema de mayor
seguridad, por cuanto permiten que el punto de pivote se
establezca de un modo natural por el movimiento del instrumento, al
igual que cuando lo maneja un humano. Además, las dos
articulaciones disponen de medios para averiguar la magnitud del
ángulo que han girado (no mostrados en el esquema de la Figura 3),
de modo que este valor pueda quedar disponible para el sistema.
Estos sensores pueden ser, por ejemplo, potenciómetros o
codificadores angulares. Igualmente pueden disponerse dos sensores
por eje, lo que permite tener redundancia e as medidas, bien para
promediar éstas, bien para detectar el posible fallo de un sensor.
Las dos articulaciones pasivas están dispuestas de modo que la
primera (a) es paralela a las dos articulaciones de revolución del
brazo, mientras que la segunda (b) es perpendicular a la primera, y
ambas se cortan en el eje del instrumento quirúrgico que porta el
robot. Esta disposición permite prescindir de una tercera
articulación de revolución y su actuador, necesarios para dar al
sistema la capacidad de alcanzar todo el espacio de trabajo del
instrumento quirúrgico con la orientación adecuada. Esto revierte
en una mayor simplicidad y economía del sistema. Así mismo, el
adaptador que sujeta el instrumento quirúrgico dispone de medios
para sujetar con seguridad y firmeza dicho elemento pero que
igualmente permiten retirar con rapidez 5 la óptica del endoscopio
sin necesidad de herramientas. La Figura 4 muestra una posible
realización del adaptador, en el que pueden apreciarse las
articulaciones pasivas (a) y (b) y la óptica (c) de una cámara
laparoscópica.
El controlador del brazo robot está situado en la
base del montaje móvil de éste. Este o controlador recibe las
señales procedentes de sensores de posición situados en cada una
de las articulaciones (activas y pasivas) del robot (incluyendo el
efector final), lo que le permite conocer en cada momento la
posición de éste mediante el modelo cinemático directo del mismo,
obtenido estableciendo varios sistemas de coordenadas a lo largo
del brazo robot según la convención de
Denavit-Hartenberg (ver Figura 5):
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde,
m_{11} = Cos(\theta_1 + \theta_2 +
\theta_3),
m_{12} = -Sen(\theta_1 + \theta_2 +
\theta_3),
m_{13} = 0,
m_{14} = a_1Cos(\theta_1) +
a_2Cos(\theta_1 + \theta_2) +
a_3Cos(\theta_1 +
\theta_2
\\\hspace*{1.3cm}+ \theta_3),
m_{21} = Sen(\theta_1 + \theta_2 +
\theta_3),
m_{22} = Cos(\theta_1 + \theta_2 +
\theta_3),
m_{23} = 0,
m_{24} = a_1Sen(\theta_1) +
a_2Sen(\theta_1 + \theta_2) +
a_3Sen(\theta_1 +
\theta_2
\\\hspace*{1.3cm}+ \theta_3),
m_{31} = 0,
m_{32} = 0,
m_{33} = 1,
m_{34} = d,
m_{41} = 0
m_{42} = 0
m_{43} = 0
m_{44} = 1
siendo
- \theta_1, \theta_2, \theta_3, \theta_4, \theta_5, \theta_6, los ángulos de giro de las articulaciones primera, segunda, tercera, cuarta, quinta y sexta, respectivamente,
- a_1, a_2, a_3, las longitudes de los elementos del robot que unen la articulación primera con la segunda, la segunda con la tercera y la tercera con la cuarta, respectivamente,
- d, la distancia desde el plano X_0Y_0 hasta el plano X_1Y_1.
Igualmente, mediante el modelo cinemático inverso
del brazo robot y una planificación de trayectorias (en posición,
velocidad y aceleración), además de la información proporcionada
por los sensores angulares situados en el robot, el controlador
antes mencionado calcula las actuaciones necesarias para llegar a
una posición deseada.
Anexo a este controlador se encuentra un módulo
que recibe las órdenes del cirujano y genera, en respuesta a las
mismas, las órdenes de movimiento adecuadas para el robot.
Asimismo, este módulo interno se encarga de la comunicación con los
medios de entrada de órdenes, ya sean locales (dentro del
quirófano) o remotos (en una localización física distante). La
realización de este módulo interno puede variar de acuerdo con los
medios de entrada de órdenes elegidos por el usuario. En la
realización preferida consiste en un circuito electrónico
especializado encargado de reconocer las órdenes habladas que el
usuario emite a través de un micrófono, pero también puede tomar la
forma de un programa que se ejecuta en una máquina de propósito
general, como un procesador digital de señales, un asistente
digital personal (PDA), o un minicomputador, integrado en la
estructura mecánica del brazo.
Igualmente, en otra realización del sistema en la
que no se opte por las órdenes orales, o en la que éstas no sean
la única posibilidad para interactuar el usuario con el robot, el
módulo mencionado se encarga de controlar otros medios de entrada
de órdenes, como por ejemplo (pero no exclusivamente) una pantalla
táctil. Asimismo, puede encargarse de los procesos necesarios para
permitir que estos medios de control a disposición del cirujano
(incluyendo el programa de reconocimiento de voz) puedan usarse
remotamente a través de una red de comunicaciones, bien local o
bien de un ámbito mayor, como pueda ser Internet. Tanto las
señales de los medios adicionales de control antes mencionados como
las órdenes recibidas a través del interfaz de voz se transforman
en el módulo interno en consignas que se envían al controlador del
robot. Éstas indican los movimientos que debe realizar el
brazo.
Como medios de entrada de órdenes, en la
realización preferida del sistema se cuenta con un micrófono,
preferiblemente inalámbrico (aunque también puede ser
convencional), que se sitúa en la estructura del brazo robot o que
porta el propio cirujano. Pero también pueden disponerse otros
medios de entrada, como una pantalla táctil adosada a la estructura
del robot mediante un mecanismo articulado que permita al usuario
situarla en la posición más conveniente. En esta pantalla se
presenta la imagen laparoscópica, y superpuesta a ella puede
mostrarse información de diverso tipo, como marcas de ayuda a la
intervención (dibujadas por un cirujano en un equipo remoto),
estado del sistema, información relativa al funcionamiento de
otros equipos de quirófano (que también puede controlar desde la
pantalla táctil), u otra información que se considere de interés.
Otros medios de control pueden consistir, a modo de ejemplo (pero
no exclusivamente), en un manipulador maestro que reproduzca la
forma del instrumento quirúrgico que porta el robot, de manera que
la modificación de la posición de dicho manipulador maestro
implique, a través de la conversión apropiada que realiza el
módulo interno del sistema de interfaz, un movimiento similar en
el instrumento quirúrgico adosado al manipulador. Este manipulador
maestro puede contar con medios que permitan al usuario especificar
una ganancia K o una atenuación K^{-1} en la traducción de los
movimientos, de manera que un desplazamiento de una longitud L,
en una determinada dirección, mueva la herramienta real una
magnitud K \cdot L ó K^{-1} \cdot L, respectivamente, en la
dirección correspondiente.
El módulo interno de interfaz anexo al
controlador también se encarga de la presentación de diversa
información al usuario, como por ejemplo, aunque no exclusivamente,
diagramas que representen la posición actual del instrumento
quirúrgico o zonas en las que es peligroso el movimiento.
Igualmente puede llevar un registro de los movimientos efectuados
por el robot, y las posiciones ocupadas por el sistema, permitiendo
una reconstrucción a posteriori de la operación si ello fuese
necesario. También puede devolver información sonora, en forma de
palabras o sonidos, acerca del estado del sistema. Asimismo, en el
caso de una operación con la colaboración de un cirujano situado en
una localización remota, el módulo interno del sistema de interfaz
puede encargarse de gestionar la comunicación entre el robot y los
medios de entrada de órdenes a disposición del cirujano remoto.
Estos medios de entrada pueden ser análogos a los mencionados para
la variante local, y también (pero no exclusivamente) medios
específicos, como un ratón de ordenador, un manipulador maestro,
o una palanca de control (joystick). En la realización preferida,
este conjunto de medios de entrada remotos toma la forma de un
ordenador personal conectado a un sistema de comunicaciones de
capacidad adecuada, en el que se ejecutan los programas de control
y comunicaciones y al que están acoplados como periféricos los
equipos de entrada de órdenes que prefiera el usuario (como un
manipulador maestro, una pantalla táctil u otros). En la pantalla
del ordenador se muestra la imagen laparoscópica obtenida en el
quirófano remoto, y el usuario puede hacer marcas sobre ella para
indicarle tareas al cirujano presente en el quirófano. Asimismo el
usuario puede iniciar una videoconferencia, bien con el cirujano
que lleva a cabo el procedimiento quirúrgico, bien con un tercero.
El cirujano remoto también puede, si lo considera necesario, tomar
el control del robot, para lo cual puede emplear los medios de
entrada de órdenes que se hayan dispuesto en la realización del
sistema de interfaz remoto. Por ejemplo (pero no exclusivamente),
puede contar con un ratón, de manera que al picar sobre un punto
de la imagen laparoscópica se le envíe al robot la orden adecuada
para centrar la imagen en el punto elegido. También puede contar
con un interfaz de voz, botones, un manipulador maestro que
reproduzca la forma de la herramienta instalada en el robot, u
otros medios. La Figura 6 muestra un diagrama de bloques del
sistema.
También es posible otra realización del
mencionado sistema de interfaz remoto, en el que toma la forma de
un computador de diseño específico, siempre que mantenga las
características descritas para la realización preferida.
El conjunto (brazo manipulador con el
controlador, el módulo interno del sistema de interfaz y los
medios de entrada de órdenes presentes en el quirófano incluidos)
se encuentra alimentado mediante baterías, lo que da al sistema
independencia de la instalación eléctrica del quirófano en el que
se emplee, y simplifica su uso y explotación.
Para el cálculo de los movimientos del robot
anteriormente mencionados se establece un sistema de referencia en
el efector final del modo que se indica en la Figura 7. Para
calcular las distancias y las direcciones del movimiento del brazo
robot en respuesta a las peticiones del cirujano se procede del
modo siguiente:
Una vez insertado el endoscopio en el abdomen del
paciente se calcula la situación del punto en el que el endoscopio
atraviesa la piel del mismo. Éste se denomina punto de pivote, y
será utilizado en cálculos posteriores. Para hallar su
localización, se mueve el endoscopio una distancia conocida en una
dirección también conocida del sistema de referencia situado en el
endoscopio y se leen los valores de los ángulos del adaptador una
vez completado ese movimiento. Luego, se calculan las coordenadas
del punto de pivote para el sistema de referencia antes mencionado
(Figura 8), según las siguientes ecuaciones:
L_0 =
\left|\frac{dx*Cos(\alpha_1)}{Sen(\alpha_1 -
\alpha_0)}\right|;
x = L_0*
Sen(\alpha_{y0})*Cos
(\alpha_{x0});
y =
-L_0*Sen(\alpha_{x0});
z =
L_0*Cos(\alpha_{y0})*Cos(\alpha_{x0});
donde (ver Figura
7)
- L_0 es la distancia del punto de pivote al origen del sistema de referencia situado en el endoscopio;
- dx es la magnitud del desplazamiento del endoscopio en una dirección conocida;
- \alpha_0 es el ángulo inicial en uno de los ejes del sistema de referencia antes mencionado;
- \alpha_1 es el ángulo final en uno de los ejes del sistema de referencia antes mencionado;
- \alpha_{x0}, \alpha_{y0} son los ángulos iniciales en los ejes X e Y respectivamente del sistema de referencia del endoscopio;
- \alpha_{x1}, \alpha_{y1} son los ángulos finales en los ejes X e Y respectivamente del sistema de referencia del endoscopio.
La precisión en el cálculo de la distancia
l puede mejorarse elevando el número de movimientos
empleados para calcular el punto de pivote y promediando los
resultados obtenidos. La operación del cálculo del punto de pivote
sólo tiene que efectuarse una vez, al comienzo de la operación
quirúrgica. El resultado queda almacenado en el sistema.
Se fija una distancia (que puede mantenerse
constante o variar a lo largo de la intervención quirúrgica) que
será la que recorra el extremo del endoscopio en cada uno de sus
movimientos en el plano XY del sistema de referencia mencionado más
arriba. Para otros movimientos, puede mantenerse esta distancia o
cambiarse por otra que se considere más adecuada. En general, para
ambos tipos de movimiento el procedimiento es el siguiente:
- 1)
- Se averiguan los valores angulares de la posición actual, a través de las lecturas de los sensores colocados en el adaptador del endoscopio.
- 2)
- A partir de los ángulos y del incremento deseado se hallan las coordenadas en esféricas que tendrá el extremo del endoscopio tras el movimiento. Estas coordenadas esféricas se caracterizan como:
(\alpha_x, \alpha_y,
penetración)
donde la penetración se define
como:
siendo L_0 la calculada anteriormente.
- 3)
- Puesto que conocemos la longitud total del endoscopio, calculamos las coordenadas cartesianas que ocupará la cámara tras el movimiento:
w = Longitud total -
penetración
x = w*Sen(\alpha_y) *
Cos(\alpha_x);
y = -w*Sen(\alpha_x);
z = w*
Cos(\alpha_y)*Cos(\alpha_x);
donde (ver Figura 8)
- Longitud total es la longitud total del endoscopio, desde el extremo hasta el origen del sistema de referencia situado en la cámara.
- penetración es la diferencia entre la longitud total del endoscopio y la longitud l hallada al calcular el punto de pivotaje.
- w es la distancia del punto de pivote al origen del sistema de referencia situado en el endoscopio, actualizada al valor que tendrá después del movimiento;
- \alpha_x, \alpha_y son los ángulos respecto a los ejes X e Y respectivamente del sistema de referencia del endoscopio;
- 4)
- Se le envía al robot la orden de alcanzar el punto resultado de la transformación anterior.
El sistema permite aplicar las características de
precisión, seguridad y registro de movimientos propias de los
robots a un campo como la cirugía, particularmente la cirugía
mínimamente invasiva. El adaptador puede acoger cualquier endoscopio
de los utilizados en estas técnicas quirúrgicas, como cámaras de
laparoscopia, resectores de próstata, etc. En el caso de usarse
para mover una cámara de laparoscopia, se obtienen una serie de
ventajas, como una imagen más estable (sin que le afecte el tiempo
de operación), una mejor coordinación entre el equipo médico, o
una reducción del tiempo de intervención (lo que a su vez reduce
el tiempo de anestesia). Además, el empleo de un sistema de
reconocimiento de voz como medio del cirujano para dar las órdenes
al sistema robótico le permite manejar un instrumento adicional
sin contar con el auxilio de un ayudante, facilitando la
realización de tareas complejas dentro de las técnicas de cirugía
mínimamente invasiva. Igualmente, la posibilidad de usar los medios
de control a distancia, mediante el empleo de redes de
comunicaciones, permite la posibilidad de aplicar conceptos como
el diagnóstico compartido, y llegar hasta la realización de tareas
quirúrgicas por parte de un cirujano no presente en el quirófano.
Otra característica es que, en virtud de su alimentación mediante
baterías, su inclusión en un quirófano no requiere ninguna
modificación, lo que facilita su puesta en explotación.
Claims (20)
1. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica, capaz de mover un instrumento quirúrgico en
respuesta a las órdenes de un cirujano presente en el quirófano o
situado en una localización distante, caracterizado por el
uso de un brazo robot de tres grados de libertad, un efecto final
que permite sujetar el endoscopio requerido para el procedimiento
quirúrgico para el que se emplee el sistema, un controlador para el
brazo robot integrado en la estructura mecánica del mismo y un
sistema de interfaz para ordenar las acciones deseadas al sistema,
compuesto a su vez por un módulo anexo al controlador del robot,
que interpreta las órdenes que el usuario desea que ejecute el
robot, y unos medios para emitir dichas órdenes. El mencionado
módulo anexo al controlador del robot también se encarga de preparar
y presentar al cirujano los datos que requiera para llevar a cabo
la operación con mayor seguridad, donde todo el conjunto se
encuentra alimentado mediante baterías.
2. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según la reivindicación 1), en el que el
robot manipulador presenta la configuración de grados de libertad
que se muestra en la Figura 2.
3. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según las reivindicaciones 1) y 2), en el que
el controlador o el módulo anexo del sistema de interfaz lleva a
cabo un registro de los movimientos realizados por el robot y las
posiciones ocupadas por el instrumento quirúrgico a lo largo de toda
la operación.
4. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según las reivindicaciones 1) y 2), en el que
el sistema de interfaz permite que las órdenes emitidas por el
cirujano, y las imágenes representadas para permitir a éste llevar
a cabo la operación, lo sean sobre un computador comunicado con el
robot por medio de una red de comunicaciones.
5. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según las reivindicaciones 1), 2) y 4), en el
que entre los medios de entrada de órdenes se encuentra un sistema
de reconocimiento de voz y un micrófono.
6. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según las reivindicaciones 1), 2), 4) y 5),
en el que el micrófono está integrado en la estructura mecánica
del brazo robot.
7. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según las reivindicaciones 1), 2), 4) y 5),
en el que el micrófono es inalámbrico y es portado por el propio
cirujano que usa el sistema.
8. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según las reivindicaciones 1), 2) y 4), en el
que sobre la pantalla de vídeo en la que se muestra la imagen de
la cámara laparoscópica se presenta información relativa al
funcionamiento del sistema, a los demás equipos del quirófano y su
funcionamiento, y/o marcas dibujadas por un cirujano situado en una
localización física distante.
9. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según las reivindicaciones 1), 2), 4) y 8),
en el que la pantalla se encuentra unida a la estructura mecánica
del robot mediante un mecanismo que permite al cirujano situarla con
libertad en la posición más conveniente.
10. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según las reivindicaciones 1), 2), 4), 8) y
9), en el que la pantalla es táctil, y el cirujano puede
utilizarla también como medio de entrada de órdenes al sistema.
11. Sistema de teleoperación de robots para
cirugía laparoscópica según las reivindicaciones 1), 2), 4), 8), 9)
y 10), en el que la pantalla táctil también puede utilizarse para
controlar otros equipos presentes en el quirófano.
12. Un efector final para cirugía laparoscópica
que añade a la configuración del robot dos grados de libertad
pasivos, de modo que los grados de libertad pasivos permiten que el
endoscopio se mueva de una manera natural, similar al modo en que
se mueve cuando lo maneja una persona.
13. Un efector final para cirugía laparoscópica
según la reivindicación 12), que permite que el endoscopio pueda
soltarse cuando se requiera sin que sea preciso el empleo de
herramientas.
14. Un efector final para cirugía laparoscópica
según la reivindicación 13) que cuenta con dos articulaciones
pasivas dotadas de sensores que permiten conocer la posición
angular de las dos articulaciones.
15. Un efector final para cirugía laparoscópica
según la reivindicación 14) en el que se emplea más de un sensor
por articulación para promediar las medidas y para detección de
fallos.
16. Un efector final para cirugía laparoscópica
según la reivindicación 14) en la que los sensores empleados son
potenciómetros.
17. Un efector final para cirugía laparoscópica
según la reivindicación 14) en la que los sensores empleados son
codificadores angulares ópticos o encoders.
18. Un efector final para cirugía laparoscópica
según la reivindicación 14), en el que la disposición de los
grados de libertad pasivos es la que se muestra en la Figura 3.
19. Un procedimiento para calcular el punto de
pivotaje del endoscopio una vez insertado en el paciente basado en
los siguiente pasos: movimiento del endoscopio una distancia
conocida en una dirección también conocida de un sistema de
referencia situado en el endoscopio, con el eje Z según el eje del
endoscopio; lectura de los valores de los ángulos una vez
completado ese movimiento; cálculo de las coordenadas del punto de
pivote para el sistema de referencia antes mencionado, según las
siguientes ecuaciones:
l =
\left|\frac{d*Cos(\alpha_1)}{Sen(\alpha_1 -
\alpha_0)}\right|;
x =
l*Sen(\alpha_{y0})*Cos(\alpha_{x0});
y =
-l*Sen(\alpha_{x0});
z =
l*Cos(\alpha_{y0})*Cos(\alpha_{x0});
donde l es la distancia del punto de
pivote al origen del sistema de referencia situado en el
endoscopio; \alpha_0 es el ángulo inicial en uno de los ejes del
sistema de referencia antes mencionado; \alpha_1 es el ángulo
final en uno de los ejes del sistema de referencia antes
mencionado; \alpha_{x0}, \alpha_{y0} son los ángulos iniciales
en los ejes X e Y respectivamente del sistema de referencia del
endoscopio; \alpha_{x1}, \alpha_{y1} son los ángulos finales
en los ejes X e Y respectivamente del sistema de referencia del
endoscopio.
20. Un procedimiento para calcular el punto de
pivote del endoscopio una vez insertado en el paciente según la
reivindicación 19) en la que se realizan varios movimientos y se
promedia el valor de l.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200200708A ES2203318B1 (es) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | Sistema de teleoperacion de robots para cirugia laparoscopica. |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200200708A ES2203318B1 (es) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | Sistema de teleoperacion de robots para cirugia laparoscopica. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
ES2203318A1 ES2203318A1 (es) | 2004-04-01 |
ES2203318B1 true ES2203318B1 (es) | 2005-03-01 |
Family
ID=32050250
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
ES200200708A Expired - Fee Related ES2203318B1 (es) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | Sistema de teleoperacion de robots para cirugia laparoscopica. |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
ES (1) | ES2203318B1 (es) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2298051B2 (es) | 2006-07-28 | 2009-03-16 | Universidad De Malaga | Sistema robotico de asistencia a la cirugia minimamente invasiva capaz de posicionar un instrumento quirurgico en respueta a las ordenes de un cirujano sin fijacion a la mesa de operaciones ni calibracion previa del punto de insercion. |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5217453A (en) * | 1991-03-18 | 1993-06-08 | Wilk Peter J | Automated surgical system and apparatus |
US5784542A (en) * | 1995-09-07 | 1998-07-21 | California Institute Of Technology | Decoupled six degree-of-freedom teleoperated robot system |
US6692485B1 (en) * | 1998-02-24 | 2004-02-17 | Endovia Medical, Inc. | Articulated apparatus for telemanipulator system |
DE69940850D1 (de) * | 1998-08-04 | 2009-06-18 | Intuitive Surgical Inc | Gelenkvorrichtung zur Positionierung eines Manipulators für Robotik-Chirurgie |
ES2150880B1 (es) * | 1999-01-28 | 2001-08-16 | Univ Malaga | Sistema robotico asistente para cirugia laparoscopica. |
ES2181526B1 (es) * | 2000-03-13 | 2004-04-01 | Universidad De Malaga | Sistema robotico asistente para cirugia laparoscopica. |
-
2002
- 2002-03-25 ES ES200200708A patent/ES2203318B1/es not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ES2203318A1 (es) | 2004-04-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
ES2298051B2 (es) | Sistema robotico de asistencia a la cirugia minimamente invasiva capaz de posicionar un instrumento quirurgico en respueta a las ordenes de un cirujano sin fijacion a la mesa de operaciones ni calibracion previa del punto de insercion. | |
US20210378770A1 (en) | Methods and devices for tele-surgical table registration | |
Berthet-Rayne et al. | The i 2 snake robotic platform for endoscopic surgery | |
ES2877800T3 (es) | Sistema robótico para cirugía mínimamente invasiva | |
Ruurda et al. | Robot-assisted surgical systems: a new era in laparoscopic surgery. | |
Cavusoglu et al. | A laparoscopic telesurgical workstation | |
ES2248066T3 (es) | Control de referencia para camara en un aparato quirurgico minimamente invasivo. | |
US8282653B2 (en) | System and methods for controlling surgical tool elements | |
US20150066051A1 (en) | Surgical robot and control method thereof | |
KR20150097238A (ko) | 수술 로봇용 마스터 장치 및 그 제어 방법 | |
US9387043B2 (en) | Medical master/slave type device for minimally invasive surgery | |
ES2965135T3 (es) | Sistema quirúrgico | |
Berthet-Rayne et al. | Rolling-joint design optimization for tendon driven snake-like surgical robots | |
Low et al. | A review of master–slave robotic systems for surgery | |
Marinho et al. | Using general-purpose serial-link manipulators for laparoscopic surgery with moving remote center of motion | |
Nisar et al. | Design and realization of a robotic manipulator for minimally invasive surgery with replaceable surgical tools | |
Azizi Koutenaei et al. | Robotic natural orifice transluminal endoscopic surgery (R-NOTES): literature review and prototype system | |
De Donno et al. | Master/slave control of flexible instruments for minimally invasive surgery | |
Saini et al. | Intelligent control of a master-slave based robotic surgical system | |
US12059227B2 (en) | Fingers-driven haptic interface for robot-assisted surgical system | |
Bihlmaier et al. | Endoscope robots and automated camera guidance | |
ES2203318B1 (es) | Sistema de teleoperacion de robots para cirugia laparoscopica. | |
Fu et al. | Mobile teleoperation: Feasibility of wireless wearable sensing of the operator’s arm motion | |
Feiling et al. | Optimal teleoperation control of a constrained tendon-driven serpentine manipulator | |
Morel et al. | Comanipulation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20040401 Kind code of ref document: A1 |
|
FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20220629 |