ES2433664T3 - Dispositivo guiador dirigible - Google Patents

Abstract

Una sonda articulada (10) que comprende: un primer mecanismo (12, 14) compuesto por una pluralidad de eslabones: un segundo mecanismo (12, 14) compuesto por una pluralidad de eslabones; un primer cable (59) que se extiende a través de dicha pluralidad de eslabones de dicho primer mecanismo(12, 14) o dicha pluralidad de eslabones de dicho segundo mecanismo (12, 14) y una pluralidad de cables(54, 55, 56) que discurre a través de la otra de dicha pluralidad de eslabones de dicho primer mecanismo (12,14) o dicha pluralidad de eslabones de dicho segundo mecanismo (12, 14); un dispositivo para producir señales de instrucciones; y un alimentador electromecánico (16) sensible a dichas señales de instrucciones, siendo dicho alimentadorelectromecánico (16) capaz de alternar cada uno de dicho primer mecanismo (12) y segundo mecanismo (14)entre un modo flácido y un modo rígido, y que comprende: un primer carro móvil (42), siendo uno de dicho primer mecanismo o dicho segundo mecanismosensible a dicho primer carro; un segundo carro móvil (44), siendo el otro de dicho primer mecanismo o dicho segundo mecanismosensible a dicho segundo carro; un primer actuador (48) para controlar la posición de dicho primer carro (42); y un segundo actuador (46) para controlar la posición de dicho segundo carro (44)..

Description

Dispositivo guiador dirigible

Antecedentes La presente invención se refiere a una extensión perteneciente al campo de los robots para el campo de los mecanismos teleoperados y, más concretamente, los dispositivos dirigibles, flexibles, de tres dimensiones.

Aunque hay muchas aplicaciones para este dispositivo descrito, la aplicación que motiva este dispositivo es la cirugía mínimamente invasiva. Hay pocos sistemas robóticos médicos disponibles en el mercado actual. Estos sistemas se pueden clasificar en tres grupos principales: sistemas robóticos activos, semiactivos y pasivos. El sistema robótico activo está representado por Kazanzides et al. [Kazanzides P, Mittelstadt B, Musits B, Barger W, Zuhars J, Williamson B, Cain P and Carbone E: An integrated system for cementless hip replacement. IEEE Engineering in Medicine and Biology, pp. 307-313, 1995] y Brandt et al. [Brandt G, Radermacher K, Lavalle S, Staudte H. W, Rau G, “A Compact Robot for Image Guided Orthopedic Surgery: Concept and Preliminary Results”, Lecture notes in Computer Science 1205, CVRMed-MRCAS´97, Troccaz J, Grmson R, and Mosges R, eds, pp 767776, 1997], en donde, en el primer ejemplo, un robot en serie sierra activamente el fémur para fijar óptimamente un implante para una cirugía de rodilla. Este robot es un mecanismo de tipo en serie con un gran volumen de trabajo con relación a las tareas hechas a mano. Por lo tanto, tales robots son algo torpes y pesados, y adolecen de varias desventajas conocidas que incluyen rigidez un precisión relativamente bajas, y una relación carga/peso nominal baja. El hecho de que estos robots sean utilizados en procedimiento médicos, en donde la precisión y la seguridad son primordiales, ha motivado que los investigadores busquen manipuladores con mejores rendimiento cinemático y dinámico para las actividades quirúrgicas especificas.

En el segundo ejemplo, una plataforma de Stewart se utiliza en la cirugía de sustitución de cadera. Una plataforma de Stewart es un tipo de robot paralelo. Un robot paralelo de seis grados de libertad está compuesto de dos plataformas rígidas, una utilizada como plataforma base y la otra como un efectuador de extremo móvil. Las dos plataformas están conectadas mediante juntas de bola y receptáculo a seis eslabones capaces de cambiar su longitud. Controlado la longitud de cada eslabón, el mecanismo puede posicionar y orientar el efectuador de extremo móvil con relación a la plataforma base. Las ventajas de las estructuras robóticas paralelas incluyen: peso bajo, estructura compacta, alta precisión, alta rigidez, espacio de trabajo restringido, respuesta de alta frecuencia y bajo coste [Merlet J.-P., Les Robots Paralleles, Hermes, Paris, 1997]. Además, los robots paralelos son significativamente más robustos al fallo que los dispositivos en serie debido a que en un dispositivo en serie, un fallo puede hacer que el robot se mueva dramáticamente, mientras que el una estructura paralela, un fallo tendrá un efecto pequeño en el movimiento total del robot. Esto es importante en aplicaciones médicas ya que los cirujanos quieren un dispositivo que mantenga su última posición en caso de fallo catastrófico. [Khodabandehloo K., Brett P.N., Buckingham R.O, “Special-Purpose Actuators and Architectures for Surgery Robots”, Computer Integrated Surgery, Taylor R, Lavalle S, Burdea G., Ralph Mosges, eds, pp. 263-274, 1996].

Desde una perspectiva robótica, la principal desventaja de los mecanismos paralelos es si limitado espacio de trabajo. Sin embargo, como han señalado Khodabandehloo et al., el espacio de trabajo limitado es una ventaja en aplicaciones médicas porque los volúmenes de operación in situ activos son limitados para proteger la paciente y al médico. Desafortunadamente, esta ventaja fuerza al robot a des desplegado cerca de la zona de operación en la sala de operaciones, lo que a menudo es poco realista debido a que el robot interferiría con los cirujanos. Una de las soluciones introducidas para resolver este problema es unir todo el sistema robótico al techo de la sala de operaciones de manera que el robot trabaje “al revés” [Lueth T., Bier J., “Robot Assisted Intervention in Surgery”,

Gilsbach J.M and Stiel H.S. (Editors). Neuronavigation-Neurosurgical and Computer Scientific Aspects, Springer-Verlag, Wien, 1999]. De este modo, el robot no interfiere durante el procedimiento de funcionamiento estándar, y es activado y maniobrado en el área de operación cuando se requiere. Sin embargo, esta solución no es aplicable en todas las salas de operaciones y requiere un diseño espacial de la sala de operaciones.

El robot de diseño conocido introducido en la sala de operaciones fue el sistema Robodoc® (Integrated surgical Systems, Sacramento, CA). Este sistema se utilizó para perforar la cavidad medular del fémur para una prótesis femoral sin cemento. Otros sistemas robóticos introducidos en el mercado son los URS®, para la colocación de una endoscopia de una forma libre de temblores y más precisa, es decir con una precisión de hasta 1/100 mm. EndoAssist®, utilizado para soporte de cámara, EndoWrist®, utilizado para soporte de instrumentos, CASPAR®, utilizado para sustitución de cadera, AESOP®, utilizado para soporte de cámaras, y ZEUS®, para soporte de instrumentos. Otros sistemas robóticos médico disponibles son el Neuromate®, utilizado para el guiado de endoscopio/catéter, el MKM®, utilizado para soporte de microscopio, y el SurgiScope®, utilizado también para soporte de microscopio.

El sistema robótico semiactivo está representado por Ho et al. [Ho SC, Hibberd RD, Davies BL, “Robot Assisted Knee Surgery”, IEEE Engeneering in Medicine and Biology, Vol. 14, pp 292-299, Mayo/Junio 1995], Kienzle et al. [Kienze III, T, Stullberg D., Peshkin M., Quaid A., Lea J., Goswami A., Wu Ch., “A Computer-Assisted Total Knee Peplacement Surgical System Using a Calibrated Robot”, In Computer integrated surgery. Taylor, Lavallee, Burdea

and Mosges, eds, MIT Press, pp. 410-416, 1996] y Harris et al. [Harris SJ., Lin WJ, Fan KL, Hibberd RD, Cobb J, Middelton R, Davies BL, “Experiences with Robotic Systems for Knee Surgery”, Lecture notes in computer science 1205, CVRMed-MRCASD ´97]. En Kienzle et al, el robot actúa como un asistente durante la operación sujetando una herramienta en una posición estable, guiando de forma precisa una herramienta de corte, y evitando que la herramienta se salga de la región operativa deseada. Un tercer enfoque, los sistemas robóticos pasivos, está representado en Grace et al. [Grace K.W., Colgate J.E., Gluskberg M.R., Chun J.H., “Six Degree of Freedom Micromanipulator for Ophthalmic Surgery”, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp 630-635, 1993], y Jensen et al. [Jensen P.S., Glusksberg M.R., Colgate J.E., Grace K.W., Attariwala R., “Robotic Micromanipulator for Orthopedic Surgery”, 1st International Symposium on Medical Robotics and Computer Assisted surgery, pp. 204.210, Pittsburg 22-24, 1994] en el que un robot de seis grados de libertad actúa simplemente como una herramienta guiada, controlada totalmente por el cirujano.

La tercera categoría de robots médicos es el sistema pasivo. Este tipo de sistema robótico soporte el procedimiento quirúrgico, pero no toma parte activa durante la cirugía, en otras palabras: el cirujano tiene el control total del proceso de cirugía en todo momento. También hay unos pocos sistemas robóticos que están incluidos dentro de esta categoría. Matsn et. al. [Matsen FA III, Garbino JL, Sidles JA, Prat B, Baumgarten D, Kaiura R, Robotic assistance in Orthopedic surgery, Clin Orthp and Rela Res 296, 1993: 178-186.] informa sobre un sistema robótico pasivo para artroplastia de rodilla. Para su desarrollo utilizaron una Unimation comercial PUMA 260, que mantenía una plantilla transparente tridimensional que era capaz de que el cirujano indicase la posición deseada de la superficie de la junta prostética. El robot coloca después la guía de sierra de tal manera que el plano de corte resultante está de acuerdo con el indicado por el cirujano, que es realmente el que sujeta la sierra eléctrica y realiza los cortes. Este sistema nunca se utilizo en la sala de operaciones.

McEwen et al. [McEwen C, Bussani CR, Auchinleck GF, Breault MJ. Development and initial clinical evaluation o pre robotic and robotic retraction systems for surgery. 2nd Annual Int Symposium Custom Orthopedic Prosthetics, Chicago, Octubre 1989] utilizan un Arthrobot como ayudante en la sala de operaciones. El robot está accionado neumáticamente, es un dispositivo posicionador controlado electrónicamente que se utiliza intraoperativamente para sujetar una extremidad. El sistema no tiene capacidades de detección y es capaz de moverse sólo bajo control humano explícito. El sistema se utilizó durante artroplastias de rodilla y cadera.

Otros sistemas robóticos pasivos están reportados por Grace et. al. [Grace K.W., Colgate J.E., Gluksberg M.R., Chun J. H. A Six Degree of Freedom Micromanipulator for Ophthalmic Surgery. IEEE International Conference on Robotics and Automation 1993; 630-635.] Estos todavía no están relacionados con aplicaciones ortopédicas. Grace desarrolló un micromanipulador de seis grados de libertas que se utiliza para el tratamiento de oclusión venosa retinal. Durante el proceso, el operador está observando el efectuador extremo del robot (utilizando un microscopio) y guiándolo utilizando un dispositivo de entrada de mando multidimensional.

Sin embargo, los ejemplos más frecuentes de sistemas robóticos pasivos son sistemas de navegación quirúrgica, ya que representan el elemento central de casa sistema CAOS [Nolte LP, Langlotz F, Basics of computer assisted surgery (CAOS), Navigation and robotics in total joint and spine surgery, New York, Springer, 2004]. Básicamente, un sistema de navegación refiere la posición, es decir la localización y orientación, de los componentes activos del sistema a un sistema de coordenadas global, de manera que su posición relativa se puede resolver en el sistema global.

Los inveteres de la actual solicitud de patente han construido muchos otros tipos de robots. Una de sus especialidades incluye robots serpiente, denominados formalmente mecanismos hiper-redundantes. Los robots serpientes se pueden utilizar de una manera activa, semi-activa y pasiva. El robot serpiente fue diseñado y construido originalmente para ayudar en tareas de búsqueda y rescate. [Wolf, A, Brown, H.B., Casciola, R., Costa, A, Schwering, M., Shamas, E., Chiset, H., “A mobile hyper redundant mechanism for search and rescue tasks”, Proceedings of IEEE/RSJ IROS2003]. La construcción de este robot requería un nuevo diseño mecánico de manera que el robot sería lo suficientemente rígido para soportar su propia masa a la vez que consume una mínima energía y ocupa un volumen mínimo. Las nuevas articulaciones de este robot, diseñadas y construidas en la empresa, tienen un rango de movimiento grande adecuado para una serpiente hiper-redundante. [Shammas, E., Wolf, A., Brown, H.B., Choset, H., “New Joint Design for Three-dimensional Hyper Redundant Robots”, Proceedings of IEEE/RSJ IROS2003]. El robot serpiente fue unido en la parte superior de una plataforma móvil de manera que la serpiente podría ser transportadas se manera semi-autónoma al área de búsqueda. El control de la plataforma de robot móvil y el robot serpiente se realiza a través de un mando de tipo joystick, para proporcionar al usuario una interfaz simple e intuitiva. El control del robot serpiente se realiza dentro del encuadre de referencia de la cámara, de manera que los datos de entrada procedentes del joystick son convertidos dentro del marco de referencia de la cámara. [Wolf, A, Choset, H., Brown, H.B., Casciola, R., “Design and Control of a Hyper-Redundant Mechanism”, Submitted to IEEE Transactions on Robotics]. Si este tipo de dispositivo se puede construir con un diámetro se sección transversal reducido, entonces este tipo de robot serpiente también se puede utilizar para permitir a los cirujanos alcanzar áreas del cuerpo de una manera mínimamente invasiva y realizar operaciones con herramientas en la punta del robot serpiente.

Virtualmente todos los trabajos previos en robots hiper-redundantes enfocados al desarrollo del mecanismo y la colocación del efectuador de extremo [Chirikjian G., S., Burdick W., J., (1995a) Linematically optimal hyperredundant manipulator configurations, IEEE Tran. On Rob and Aut, 11 (6), pp. 794-806][Chirikjian G., S., Burdick W.,

J. (1995b) The kinematic of hyper-redundant robot locomotion, IEEE Tran. On Rob and Aut, 11 (6), pp. 781-793]. La mayoría de estos dispositivos estaban limitados a una gran escala. Históricamente, Hirose, en 1972, desarrolló un dispositivo impresionante que imitaba la locomoción de las serpientes reales en el suelo. [Hirose, S. Biologically Inspired Robots: Snake-like Locomotors and Manipulators. Oxford University Press: Oxford 1993]. La investigación continuó a principios de los años noventa en Caltech con el manipulador hiper-redundante plano de Chirikjian y Burdick; su construcción se centró en los algoritmos de colocación del efectuador de extremo novedosos para estos robots, no el propio robot (Chirikjian y Birdick, 1995). Recientemente otros investigadores, tales como Yim en Xerox Parc, Miller por sí mismo y Haith en la NASA AMes, han duplicado el trabajo pionero de Hirose en la locomoción de serpientes, mientras que Yim y Haith usaron los módulos de polybot de Yim para formar mecanismo hiperredundantes modulares. La modularidad claramente tiene sus beneficios, pero conlleva un coste inaceptable, que se pone de manifiesto en una pérdida de resistencia y maniobrabilidad. La conexión electromecánica es una innovación de los polybots, pero también proporciona un punto de debilidad para el mecanismo y ocupa espacio que hace que el robot sea más discreto (aumenta la longitud de eslabón, es decir, la separación en grados de libertad (DOF)) y por tanto reduce la maniobrabilidad. La modularidad tiene más valor cuando la configuración de objetivo del robot se desconocía a priori.

El desafío de un mecanismo hiper-redundante es ser lo suficientemente fuerte para levantarse por sí mismo en estas dimensiones pero ser lo suficientemente pequeño y ligero para ser útil e incluso demostrara planificación básica. Los Pacifics Northwest labs desarrollaron un mecanismo tridimensional que era increíblemente fuerte pero se movía demasiado lentamente y era demasiado grande. Este robot se movía de manera demasiado lenta debido que estaba destinado para ser utilizado para la desactivación de bombas, de manera que un técnico podrá teleoperar este robot para explorar los mecanismos internos de una bomba sin que detonara accidentalmente. Cinemáticamente, el mecanismo es una secuencia de las articulaciones universales accionada linealmente apiladas unas sobre las otras. Takanasi desarrolló en NEC una nueva articulación de dos-DOF para robots serpiente que permitía un diseño más compacto. Esta articulación utilizaba una articulación universal pasiva para evitar que las partes adyacentes se enrollaran mientras que al mismo tiempo permitía dos grados de libertad: la flexión y la orientación. Esta articulación universal desarrolló una articulación giratoria, que proporcionaba dos grados de libertad. La articulación universal que estaba instalada en el exterior hacía que la articulación fuese demasiado voluminosa. Los investigadores en Jet Propulsion Laboratory (JPL) “inventaron” el diseño de Takanashi colocando una pequeña articulación universal en el interior del robot. Esta permitía un diseño más compacto, pero implicaba un coste de resistencia y rigidez (contragolpe). Una pequeña articulación universal no puede transmitir el movimiento rotacional en ángulos de deflexión grandes no puede soportar cargas pesadas.

Para ciertas aplicaciones se desea que el robot hiper-redundante opere en un tamaño de menos de 15 mm de diámetro que normalmente se requiere para cirugía mínimamente invasiva. Los muchos grados de la articulación que dan al robot hiper-redundante sus capacidades mejoradas también ofrecen sus retos de investigación principales. Existen varios desafíos críticos a los que uno se debe dirigir para construir un robot hiper-redundante. En primer lugar está el propio diseño mecánico real; construir un dispositivo que tenga alta maniobrabilidad en un volumen confinado pequeño. El control de nivel bajo es otro reto en tales escalas pequeñas. El espacio compacto dentro de la envolvente del dispositivo deja poco espacio para el cableado de todos los actuadores y sensores a borde del robot hiper-redundante, por tanto se debería utilizar en controlador de nivel bajo más avanzado.

Una línea de investigación para reducir el tamaño de los robots hiper-redundantes se ha centrado en el desarrollo del actuador exótico tal como aleaciones de memoria de forma. Se ha presentado numerosos trabajos sobre catéteres activos y endoscopios, la mayoría accionados por actuadores de aleaciones de de memoria de forma (SMA) (Tohuko University, Olympus optical Co). La actuación de un muelle y cable SMA ha sido implementada por Hirose [Hirose, S. Biologically robots: Snake-like Locomotors and Manipulators. Oxford University Press: Oxford 1993] para superar el problema de histéresis del material SMA. El laboratorio de Santa Ana en Pisa, Italia (Dario et al 2000) desarrolló una herramienta de artroscopia que es accionada por cable; un sensor de posición detecta la localización de la punta y un sensor de fuerza detecta las fuerzas de contacto. La precisión total de dispositivo es de 2,3 mm. Otros mecanismos activos a modo de endoscopios son los Laroratorie de Robotque de Paris (LRP), mecanismo a modo de gusano de 8 mm de diámetro que está formado por una secuencia de segmentos articulados entre sí por unas articulaciones de pasador accionadas SMA [Kuhl C., Dumont G., Virtual endoscopy; from simulation to optimization of an active endoscope. Proc, of modeling & simulation for computer aided medicine and surgery 2002, 12, pp 84-93]. El dispositivo está específicamente diseñado para explorar el intestino con una cámara. Un músculo artificial de polímero electrostrictivo (EPAM) basado en un robot endoscópico a modo de serpiente fue desarrollado en Stanford Reseach institute (SRI). Ese dispositivo está compuesto de varios bloques unidos por una espina concéntrica [Kornbluth RD., Pelrine R., Eckerle J., Joseph J., Electrostrictive polymer artificial muscle actuators. proc, Of the IEEE int, Conf. on Robotics and Automation 1998, pp 2147-2154]. Los investigadores en la universidad del estado de Pensilvania [Frecker ML., Aguilera WM., Analytical modeling of a segmented unimorph actuator using electroactive (pvdf-trfe) copolymer. Smart material and structures 2003, pp 82-91] han desarrollado también un manipulador a modo de serpiente que utiliza un músculo artificial de polímero electrostrictivo. Su diseño

especial del actuador permite el control de la curvatura.

Como alternativa a una sonda articulada, los investigadores han considerado un tipo móvil de robot que se asemeja a un gusano de pulgada en miniatura para procesos tanto de inspección como médicos, Se han publicado varios manuscritos referentes a los mecanismos a modo de gusano de pulgada en miniatura que son capaces de maniobrar dentro de tuberías rígidas. El dispositivo de Kato [Kato S., Hirayama T., Fabrication of a high speed inpipe mobile micro machine. Proc. of the 4th Japan-France Congress and 2nd Japan-Europe congress on Machatronics, 1998, 1, pp 429-432] es un mecanismo de 96 mm de longitud y 18 mm de diámetro que es capaz de moverse dentro de tubos utilizando una estrategia de golpe y deslizamiento. Este mecanismo no esta diseñado para moverse dentro de un ambiente deformable (intestino). El trabajo de Sanata Anna University es un manipulador a modo de gusano a base de SMA de 90 mm de longitud y 18 mm de diámetro que se agarra en el ambiente y después manipula hacia delante [Dario P., Menciassi A., Park JH., Lee L., Gorinil S., Park J., Robotics solutions and mechanisms for a semi-automated endoscope. Proc. of the IEEE/RSJ international conf. on robotic systems, 2002, p. 1379-1384].

Centrándonos ahora en la investigación básica específica de sondas articuladas médicas, en Geunbae L., Kazuyuki M., Kcisuke Y., Masahisa S., et al (1996) Multi-link active catheter snake-like robot, Robotica, 14, pp 499-506, los investigadores desarrollaron un catéter activo de 2,8 mm de diámetro en base a micromecanizado de silicio. Este manipulador multicarril está conectado mediante articulaciones fabricada de actuadores de memoria de forma (SMA), fijados en posiciones triangulares equiláteras para permitir la flexión en varias direcciones. En este diseño se desarrollaron un calentamiento indirecto debido al SMA cuando el sistema de control estaba integrado en el manipulador. Otras herramientas endoscópicas, basadas en SMA, están presentes en [Nakamura Y., Matsui A., Saito T., Yoshimoto K., (1995) Shape-memory-alloys active forceps for laparoscopic surgery, IEEE int. Cof. on Robotics ad Automation, pp 2320-2327]; [Ikuta K., Tsukarmoto M., Hirose S., (1998) Shape memory alloys servo actuator system with electric resistance feedback and application for active endoscope, Porc of IEEE Int, Conf. Rob, Ando Aut, pp. 427-430]; [Ikuta K, Nolata M., Aritomi S., (1994a) Hyper redundant active endoscope for minimally invasive surgery, Proc. Of the first symposium on medical robotics and computer assisted surgery, Pittsburgh, PA, pp. 230-237]; [Ikuta K., Nokata M., Aritomi., (1994b) Biomedical micro robot driven by miniature cubernetic actuator, IEEE Int. Workshop on MEMS, pp 263-268];[Dario P. Carrozza M.C., Lencioni L., Magnani B., et. al, (1997a) A micro robotic system for colonoscopy, Proc. Int. Conf. Rob. and Aut. pp 1567-1572];[Reynaerts D., Peirs J., Van Brissel H., (1999) Shape memory micro-actuation for a gastro intestinal intervention system. Sensor and actuators, 77, pp 157166]. Sin embargo, estas herramientas tienen rigidez relativamente baja, y requieren alto voltaje de activación. Por tanto, la retirada del calor se convierte en un reto, Un concepto de activación diferente se presenta en [Piwers J., Reynaerts H., Van Brussel H., De Gersem G., (2003) Design of and advanced tool guiding system for robotic surgery, IEEE Int, Conf, Rob and Aut, pp. 2651-2656]. En ese trabajo, los autores presentaron una herramienta de robot serpiente de dos grados de libertad de 5 mm de diámetro accionada por cable que utiliza un NiTi super-elástico [Simaan N., Taylor R., and Flint P., (2004) A Dextrous system for Laryngeal Surgery: Multi-Backbone Bending Snake-Like Robot for Dexterous Surgical Tool Manipulation. IEEE Transaction of ICRA 2004, New Orleans]. Otros dispositivos están descritos en Reynaerts D., Peiers L., Van Brussel H., Design of a shape memory actuated gastrointestine intervention system. Proc. of the int. Cof of new actuation 1997, Emplacement mechanism and Young ML., Jinhee L., Jisang P., Byugkyu K., Jong Oh P., Soo Hyun K., Yeh-Sun H., Self propelling endoscopic system. Proc. of the 2001 IEEE/RSJ Int. Conf. on intelligent robotics systems, 2002 pp 117-1122. Sin embargo, la actuación de cable, SMA y la actuación EPAM se convierten en retos con robots que tienen múltiples grados de libertad debido al mínimo espacio dentro de la envuelta mecánica del robot. Por lo tanto, la mayoría de estos sistemas fueron desarrollados para ser introducidas en un ambiente confinado a modo de tubería o para trabajar como mecanismos de flexión no capaces de generar una curva en 3D (por ejemplo una forma de “S” doble no plana)

La patente de Estados Unidos de Robert Sturge Nº 5.759.151 describe un dispositivo flexible dirigible para realizar proceso de exploración. El dispositivo incluye al menos una espina, teniendo cada una medios de rigidización para hacer selectivamente la espina rígida un flexible a lo largo de su longitud. Una vaina flexible rodea la espina y se pueden mover axialmente de manera deslizable con relación a la espina de manera que la vaina seguirá y se adaptará a la forma de una espina en el estado rígido y resistirá la flexión adicional cuando la espina este en un estado relajado. Una punta distal dirigible está dispuesta en el extremo distal del dispositivo. Los controles para la punta distal están montados en el extremo proximal del dispositivo. Están dispuestos mecanismos sobre el extremo distal del dispositivo para activar y desactivar selectivamente los medios de rigidización de la espina. Un conducto de instrumento puede estar montado en la vaina.

La patente de Estados Unidos Nº 6.610.007 describe un endoscopio dirigible que tiene un cuerpo alargado con una parte distal dirigible selectivamente y una parte proximal controlada automáticamente. El cuerpo de endoscopio es insertado en un paciente y la parte distal selectivamente dirigible se utiliza para seleccionar una trayectoria deseable dentro del cuerpo del paciente. Cuando el cuerpo del endoscopio es hecho avanzar, el controlador de movimiento electrónico opera la parte proximal controlada automáticamente para adoptar la curva seleccionada de la parte distal selectivamente dirigible. Otra trayectoria deseada es seleccionada con la parte distal selectivamente dirigible y el cuerpo del endoscopio es hecho avanzar de nuevo. Cuando el cuerpo del endoscopio es hecho avanzar más, las curvas seleccionadas se propagan proximalmente a lo largo del cuerpo de endoscopio, y cuando el cuerpo del

endoscopio es retirado proximalmente, las curvas seleccionadas se propagan distalmente a lo argo del cuerpo del endoscopio. Esto crea un movimiento serpenteante en el cuerpo de endoscopio que permite salvar curvas tortuosas a lo largo de una trayectoria deseada a través o alrededor y entre los órganos dentro del cuerpo.

El documento US-A-5.251.611 representa la técnica anterior más próxima y describe un método y aparato para realizar procesos exploratorios. El aparato incluye un dispositivo flexible dirigible que puede ser alternativamente rigidizado a lo largo de toda su longitud o de una parte del mismo y relajado con el fin de efectuar el movimiento del dispositivo a través de un sujeto, tal como el intestino de un paciente. El aparato comprende preferiblemente un par de conductos concéntricos y se utiliza para insertar el dispositivo dentro del sujeto, siendo al menos uno de los conductos concéntricos rigidizable. Uno de los conductos puede estar rigidizado, actuando como una guía para el otro conducto. Un conducto puede estar hecho flexible para ser dirigido en el sujeto o seguir la trayectoria prescrita por el otro conducto o la trayectoria de menos resistencia.

SUMARIO DE LA PRESENTE INVENCIÓN La invención expone una sonda articulada como está definida en la reivindicación 1.

Se expone un dispositivo guiador dirigible que es capaz de ser dirigido en cualquier lugar en tres dimensiones, tal como, pero no limitado a, espacios de intracavidad llenos, así como dentro de una trayectoria natural tal como un tubo, intestinos, o vasos sanguíneos por mencionar unos pocos. El dispositivo está compuesto por un primer mecanismo que tiene una pluralidad de eslabones y un primer dispositivo de bloqueo para hacer posible que el primer mecanismo tenga un estado rígido y un estado flácido. Un segundo mecanismo está compuesto por una pluralidad de eslabones y un segundo dispositivo de bloqueo que hace posible que el segundo mecanismo tenga un estado rígido y un estado de avance con dificultad, y en que al menos uno del primer y segundo mecanismo, o ambos, es dirigible. En esta realización el primer y el segundo mecanismos se pueden colocar lado con lado o uno dentro del otro.

Otra realización de la presente invención está dirigida a una sonda altamente articulada que comprende un núcleo interno que tiene una pluralidad de eslabones y un manguito exterior que tiene una pluralidad de encales. Un primer cable se extiende a través de o bien la pluralidad de eslabones o bien el núcleo interno de la pluralidad de eslabones del manguito exterior y una pluralidad de cables discurre a través de la otra pluralidad de eslabones del núcleo interno o la pluralidad de eslabones del manguito exterior. Un dispositivo produce señales de órdenes. Un alimentador electromecánico es receptivo a las señales de órdenes para alternar cada uno del núcleo interno y el manguito externo entre un modo de avance con dificultad y un modo rígido y para hacer avanzar y retraer el núcleo interior y el manguito exterior. En esta realización, al menos uno del núcleo interno o el manguito externo, o ambos, son dirigibles.

De acuerdo con una realización de la presente invención, un método de funcionamiento de un dispositivo del tipo que sigue a un guiador está compuesto por las etapas de controlar los estados de un primer mecanismo y un segundo mecanismo de manera que un mecanismo es rígido y un mecanismo es flácido, haciendo avanzar el mecanismo flácido una predeterminada distancia, cambiar los estados del mecanismo, y repetir la etapa de hacer avanzar y cambiar hasta que el dispositivo esté colocado como se desee. En este método, el guiado se puede realizar dirigiendo el primer mecanismo mientras es flácido, o dirigiendo el segundo mecanismo mientras es flácido,

o dirigiendo ambos mecanismos mientras son flácidos.

De acuerdo con otra realización de la presente invención, el método de mover un dirigible, seguir al dispositivo guiador en un espacio de tres dimensiones está compuesto por las etapas de generar imágenes desde un dispositivo montado en el extremo del dispositivo dirigible que sigue al guiador. El dispositivo dirigible que sigue al guiador se puede construir de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones expuestas anteriormente. Las imágenes son utilizadas para controlar el movimiento del dispositivo que sigue al guiador. El dispositivo montado en el extremo del dispositivo que sigue al guiador incluye una de una cámara o una lente y una tubería ligera. El método se puede realizar en tiempo real. Cuando el espacio está en el pericardio, el método adicionalmente comprende las etapas de hacer una incisión debajo de la protuberancia xifiodal e insertar el dispositivo dirigible que sigue el líder en la incisión.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para que la presente invención se entienda fácilmente y se lleva a la práctica sin problemas, a continuación se describirán varias realizaciones de la presente invención, con fines de ilustración y no de limitación, en combinación con las siguientes figuras en las que:

las Figuras 1A-1C son demostraciones gráficas del concepto de la presente invención; las Figuras 2A-2D ilustran varias configuraciones adoptadas por un prototipo de una realización del dispositivo expuesto; las Figuras 3A-3D ilustran varias vistas de un cilindro del manguito exterior; las Figuras 4A y 4B ilustran vistas extremas y en sección transversal, respectivamente, de un cilindro del núcleo interno;

las Figuras 5A-5D ilustran varias vistas de otra realización de un cilindro de un núcleo interno dirigible; las Figuras 6A y 6B ilustran un ejemplo de un mecanismo alimentador; la Figura 7 ilustra dispositivos para controlar la tensión en los cables; la Figura 8 ilustra dispositivos para controlar la tensión en los cables del manguito exterior; la Figura 9 ilustra un dispositivo para controlar la tensión en el cable del manguito interior; las Figuras 10A -10C ilustran una vista esquemática de una configuración de ménsula de extremo para una configuración más desfavorable (A), un modelo simplificado (B), y un diagrama de cuerpo libre (C) para la configuración más desfavorable, la Figura 11 es un diagrama de bloques que ilustra los componentes de un sistema de control y el flujo de información entre esos componentes; la Figura 12 es un bloque diagrama de un sistema eléctrico a modo de ejemplo para el mecanismo de alimentación; las Figuras 13A, 13B y 13C son un esquema eléctrico de un controlador de motor PID de la Figura 12; la Figura 14 es una carta de flujo de un modo de avance por etapas del funcionamiento; las Figuras 15A – 15C ilustran un proceso para mover el dispositivo de la presente invención; la Figura 16 es una carta de flujo de un proceso para retraer el dispositivo; la Figura 17 ilustra otra realización de un eslabón que se puede utilizar en el dispositivo de la presente invención; la Figura 18 y 19 ilustran una realización de la presente invención que tiene una cámara a bordo montada en el extremo de la misma y se utiliza para la visualización de los órganos internos; y la Figura 20 ilustra otra realización del dispositivo de la presente invención.

DESCRIPCIÓN Una sonda robótica altamente articulada (HARP) 10 de una realización de la presente invención mostrada en las Figuras 1A-1C es esencialmente dos mecanismos concéntricos, uno exterior y otra interior, cada uno de los cuales se puede ver como un mecanismo dirigible. Las Figuras 1A – 1C muestran el concepto de como funcionan diferentes realizaciones del HARP 10. Haciendo referencia a las Figura 1A, se denomina mecanismo interno a un primer mecanismo o mecanismo de núcleo interno 12. Se denomina mecanismo externo a un segundo mecanismo o mecanismo de manguito 14. Cada mecanismo puede alternar entre ser rígido o flácido. En el modo o estado rígido, el mecanismo es solo eso, rígido. En el modo o estado flácido, el mecanismo es altamente flexible y de este modo o bien adopta la forma de lo que le rodea o bien puede volver a su forma. Se ha de observar que el término “flácido” como se utiliza aquí, no denota una estructura que adopta pasivamente una configuración particular dependiente de la gravedad y la forma de su entorno; sino que las estructuras “flácido” descritas en esta aplicación son capaces de adoptar posiciones y configuraciones que son deseadas por el operador del dispositivo, y por tanto son articuladas y controladas en lugar de ser flácidas y pasivas.

Con este HARP 10, un mecanismo empieza flácido y el otro empieza rígido, para fines explicativos, se supone que el manguito 14 es rígido y el núcleo 12 es flácido, como se ve en la etapa 1 de la Figura 1A. Ahora, el núcleo 1 es tanto empujado hacia delante por el mecanismo de alimentación 16, descrito más adelante, como su “cabeza” o extremo distal es dirigido, como se ve en la etapa 2 de la Figura 1A. Ahora el núcleo 12 es fabricado rígido y el maguito 14 es fabricado flácido. El manguito 14 es entonces empujado hacia delante hasta que captura o es coextensivo con el núcleo 12, como se observa en a etapa 3 de la Figura 1A- Ahora, el manguito 14 es hecho rígido, el núcleo 12 flácido y el proceso, después el proceso se repite. Una variación de este enfoque es tener el manguito 14 dirigible también. El funcionamiento de tal dispositivo se ilustra en la Figura 1B. En la Figura 1B, se observa que cada mecanismo es capaz de capturar al otro y después avanzar un eslabón más allá. Eso requiere una cámara adicional sobre el maguito 14 pero podría permitir potencialmente el despliegue más rápido del HARP 10. En la interpretación actual, el manguito 14 es dirigible y el núcleo 12 no. El funcionamiento de tal dispositivo se muestra en la Figura 1C.

En aplicaciones médicas, una vez que el HARP 109 llega a una localización deseada, el cirujano pueden retirar el núcleo interior 12 y deslizar o bien un dispositivo convencional o bien una herramienta hecha por encargo a través del manguito rígido 14 para realizar las distintas operaciones.

El HARP 10 no se limita a la cirugía, sino que se puede utilizar en inspección de motores, reparación de motores, y actualización del diseño de motores. Otras aplicaciones incluyen inspección de depósitos aplicaciones de espionaje

o vigilancia, desactivación de bombas e inspección o reparaciones en espacios altamente confinados tales como submarinos o dentro de armas nucleares. Otras aplicaciones incluyen inspecciones estructurales (por ejemplo edificios) remediación de desechos peligrosos y recuperación de muestras bioterroristas. Claramente, el dispositivo de la presente invención tiene una amplia variedad de aplicaciones y no debería interpretarse como limitado a una aplicación particular.

El HARP 10 del dispositivo de la presente invención tiene algunas similitudes con el dispositivo patentado de Bob Sturge (Patente de Estados Unidos 5.759.151) aunque la presente invención incorpora varias innovaciones principales. En primer lugar, el núcleo 12 y/o el manguito 14 son dirigibles. En segundo lugar, el manguito 14 se puede fabricar tanto rígido como flácido. Estas dos innovaciones permiten que el HARP 10 se lleve a cualquier lugar

en tres dimensiones. El dispositivo de Sturge supone que está en movimiento a través de un espacio tubular tal como los intestinos. El dispositivo de Sturge requiere que los intestinos se adapten al dispositivo a medida que avanza. Cuando el dispositivo de Sturge se propaga fuera, no puede “recordar” su configuración anterior y por tanto no puede mantener la trayectoria seguida debido al hecho de que esta compuesto sólo de un elemento que se hace tanto rígido como duro. El HARP 10 puede “recordar” sus configuraciones anteriores y por esta razón, el HARP 10 puede ir a cualquier sitio en un volumen en tres dimensiones tal como los espacios de intracavidades en un cuerpo. Las Figuras 2A – 2D ilustran varias configuraciones adoptadas por un prototipo del dispositivo 10.

La siguiente descripción contiene detalles de una realización preferida. El lector debería reconocer que la presente invención no está limitada a la información detallada que sigue. En su lugar, la información detallada está destinada a fines ilustrativos y no limitativos. Como se puede observar en las Figuras 3A – 3D y 4B el manguito 14 y el núcleo 12, respectivamente, están compuestos en esta realización de cilindros concéntricos 22, 24, respectivamente, aunque se pueden utilizar eslabones y otras formas, por ejemplo una configuración de hueso (no mostrada) así como eslabones de un tipo que no son concéntricos, por ejemplo, configuración de columna vertebral (véase la Figura 17) entre otras. Los extremos de los cilindros 22, 24 no son planos sino que en su lugar un extremo 26 es un hemisferio “exterior” o convexo y el otro extremo 28 es un hemisferio “interior” o cóncavo, ambos con el mismo radio de curvatura R. Los cilindros 22, o eslabones, del manguito exterior 14 están “encadenados” consecutivamente de manera que el extremo cóncavo 28 de un encaja con el extremo convexo 26 de un cilindro adyacente. De manera similar, los cilindros 24, o eslabones, de núcleo interior 12 están encadenaos consecutivamente. El resultado es una articulación a modo de esfera desde en un punto de vista cinemático. En la realización actual, cada eslabón es capaz de girar en la cabeza de eslabón adyacente, actuando como una articulación esférica con un rango de movimiento de aproximadamente 14º en cualquier dirección, aunque son posibles otros rangos de movimiento. Los cilindros 22 tienes tres canales 30 que se extiende a todo su través para controlas los cables.

Las Figuras 5A y %b ilustran otar realización en la que el núcleo 14 es dirigible. El núcleo 14 de esta realización está compuesto por cilindros 24´ que tiene un extremo convexo 26 y cóncavo 28. Sin embargo los cilindros 24 tienen tres canales 32 para el control de cables.

Las cabezas (es decir, los cilindros distales) tanto del manguito 14 como del núcleo 12 son dirigibles utilizando tres cables que están unidos a, por ejemplo 120º unos de otros. Como se puede observar en las Figuras 3A – 3D y las Figuras 5A – 5D, hay tres canales cilíndricos pequeños 30, 32 respectivamente, para que los cables pasen a su través. En la versión del dispositivo mostrado en la Figura 4A y 4B, el cilindro interior 24 tiene sólo un cable, en cuyo caso sólo hay un orificio a través de su centro.

Se apreciará que aunque la realización preferida descrita anteriormente utiliza cables o alambres, se pueden emplear medios alternativos de manipulación de los elementos de flácido, tales como neumáticos en miniatura cilindros hidráulicos u otros eslabones mecánicos situados dentro de los eslabones individuales, sin que se salgan fuera del campo de esta invención.

Los eslabones, y por tanto el HARP 10, se pueden fabricar virtualmente de cualquier material, incluyendo plástico, que permite que sea utilizado online con NMR. Un prototipo actual de nuestro dispositivo tiene un diámetro exterior del manguito exterior 14 de 12 mm y un diámetro exterior del núcleo interior 12 de 6 mm. La elección de 12 mm se basa en los tamaños de entradas disponibles. Cada eslabón del manguito exterior 14 pesa 1,5 gramos y cada eslabón del núcleo interior 12 pesa 0,5 gramos. Actualmente, el número de eslabones en cada uno de núcleo interior 12 y el manguito exterior 14 es diecisiete. Por lo tanto, el peso total del dispositivo 10 es treinta y cuatro gramos y si longitud total es de 300 mm. Estas dimensiones están destinadas para fines ilustrativos y no limitativos.

Como se ha observado, el núcleo 12 y el manguito 14 están fabricados de material rígido o flácido utilizando alambres y cables. Aunque existen muchas variaciones, en el prototipo actual, el manguito exterior 14 consta de un conjunto de cilindros 22 insertados en tres cables. Los tres cables están separados 120º, haciendo posible dirigirlos en tres direcciones. Este diseño proporciona un radio de curvatura de aproximadamente ocho centímetros. Cuando se tira de los alambres hacia la parte trasera del manguito 14, se tira de los cilindros 22 uno hacia el otro. Cuando la fuerza de tiro aumenta, la fuerza de fricción entre los cilindros adyacentes 22 aumenta hasta que todo el manguito exterior 14 se rigidiza (es decir entre en el modo rígido). Cuando la fuerza de toro se relaja, el manguito exterior 14 se hace flácido. De este modo, los cables junto con sus respectivos motores forman un dispositivo de bloqueo. Los motores, junto con los elementos electrónicos para controlar los motores, forman unos medios para controlar la tensión en el cable. Cuando el manguito exterior 14 está colocado en un cilindro delante del núcleo interno 12, y el núcleo interno 12 es rígido, el eslabón distal del manguito exterior 14 se puede orientar tirando de uno o más de los tres cables. La magnitud de la fuerza de tiro que se ejerce en cada cable de puede controlar. Tirando de los tres cables con la misma intensidad, el manguito exterior 14 se vuelve rígido sin cambiar su forma.

El núcleo interno 12, al igual que el manguito exterior 14, consta de un conjunto de cilindros. Al contrario que el manguito exterior 14, el núcleo interno 12 no necesita (pero puede opcionalmente tener) la capacidad de dirigir. El núcleo interno 12 no necesita la capacidad de cambiar del modo rígido, al modo flácido, y viceversa. Por lo tanto, en las realizaciones en las que el núcleo interno 12 no necesita ser dirigible, los eslabones del núcleo interno 12 pueden

estar encadenados en un único cable, lo que hace posible un diámetro pequeño para el dispositivo 10.

Otro tipo de mecanismo de alimentación 16, mostrado en las Figuras 6A y 6B, inserta y retrae el HARP 10 dentro y fuera, respectivamente, de una región de interés. El alimentador 16 tiene dos carros móviles. Un primer carro 42, portado en una primera bandeja fija 43, acciona el manguito exterior 14 mientras que un segundo carro 44 portado en una segunda bandeja fija 45 acciona el núcleo interno 12. Cada carro 42, 44, y por tanto cada uno del núcleo interno 12 y el manguito externo 14, es accionado independientemente para separar los actuadores lineales 46, 48, respectivamente. Los actuadores lineales 46, 48 pueden portar codificadores de eje (no mostrados) utilizados para el control de posición de manera conocida.

Cada uno de los carros 42, 44 porta uno o más motores necesarios para controlar los cables del núcleo interno 12 y el manguito externo 14. Por ejemplo, como se observa en la Figura 7 y la Figura 8, el carro 42 porta los motores 50, 51, 52 que controlan la tensión en los cables 54, 55, 56 del manguito exterior 14. Como se muestra en la Figura 9, el segundo carro 44 tiene un motor 58 para controlar la tensión en el cable 59 del núcleo interior 12. Cada uno de los motores 50, 51, 52 y 58 pueden estar provistos de codificadores de eje (no mostrados) utilizados para el control de posición de manera conocida. Si el núcleo interior 12 también fuera dirigible, también requeriría tres motores.

Para el HARP 10 de 12 mm de diámetro, las dimensiones del alimentados 16 son 400 mm (de longitud) por 100 mm (anchura/altura), mientras que el HARP es de 300 mm de longitud. El HARP 10 prototipo de 12 mm está insertado en una bolsa de plástico protectora para conseguir esterilidad. Sin embargo, el dispositivo puede estar construido de plástico ABS barato lo que hace al dispositivo desechable.

Los motores seleccionados para manipular la configuración de “caso más desfavorable” para el dispositivo, es decir cuando los motores que tensionan los cables tienen que ejercer el máximo par. La configuración de “caso más desfavorable” es cuando el HARP 10 es estirado en una posición de ménsula, el manguito exterior 14 es flácido, y el núcleo interno 12 soporta su propio peso así como el peso del manguito exterior 14.

Para estimar la fuerza axial necesaria aplicada por el cable 59 del núcleo interior 12 para soportar esta configuración, utilizamos un modelo simplificado de esta configuración extrema. El modelo simplificado se muestra en las Figuras 10A – 10C en donde aproximamos los parámetros del sistema como sigue: peso del cilindro del manguito exterior 1,5 gramos, peso del cilindro del manguito interior 0,5 gramos, y el número de cilindros en cada uno es de diecisiete. Por lo tanto, el peso total del dispositivo es de treinta y cuatro gramos y su longitud total es de 300 mm. Finalmente, el diámetro exterior del manguito exterior 14 es de 12 mm y el diámetro exterior del núcleo interno 12 es de 6 mm. La elección de 12 mm se basa en las entradas disponibles y los 6 mm siguen por diseño.

El peso del dispositivo está simplificado a una masa puntual en el centro de gravedad del dispositivo. El par de giro más largo se ejerce en el área entre los dos cilindros proximales del HARP 10. Por lo tanto desarrollamos un modelo simplificado para incluir sólo un cilindro largo que está en contacto con el cilindro proximal. El cable del núcleo interno se aplica con una fuerza axial, F, en el centro del HARP 10. Un diagrama de cuerpo libre del modelo simplificado se muestra en la Figura 10C.

aplicado en una superficie circular con radio r y elcoeficiente de
ז La relación aproximada entre lafuerza F y elpar

fricción μ se muestra en la ecuación (1).

∀ 50N ∃ mm 17N

∀ %!∃ F ∃ r & F %% # (1)

!∃ r !∃3mm !

De la ecuación (1) queda claro que el coeficiente de fricción es un importante criterio de diseño. Cuando la fricción entre los cilindros es baja, la fuerza de tiro que se necesita para soportar el peso del propio mecanismo es enorme. Para encontrar el coeficiente de fricción precisa entre los cilindros fueron necesarios algunos ensayos empíricos.

Fueron ensayados tres materiales diferentes; Aluminio T6061-T6, Garolite® G11/FR5 y Garolitic® G10/FR4. El aluminio y el, Garolite® G11/FR5 tenían un coeficiente de fricción de aproximadamente 0,2-0,3 pero después de ser girada unos pocos minutos bajo carga, la superficie de contacto se pulía y se alisaba, y el coeficiente de fricción disminuía drásticamente haciendo estos materiales no aptos para nuestro diseño. El Garolite® G10/FR4, que es una resina epoxi de vidrio laminado de alta presión reforzada, tiene un coeficiente de fricción muy alto (aproximadamente 0,5) y era duradera al pulido. Este material es también compatible MRI.

En base a estos ensayos decidimos utilizar el, Garolite® G10/FR4. Este material hace posible el uso de fuerzas de tiro del cable razonables (aproximadamente 35-40 N) para sujetar el peso de todo el dispositivo en la configuración extrema descrita anteriormente. Además, esta fuerza de tiro era suficiente para resistir los pares adicionales producidos por el direccionamiento del eslabón distal del manguito exterior.

Una implicación de la utilización de Garolite® G10/FR4 era la necesidad de un cable no abrasivo. Por lo tanto

utilizamos el cable de fibra de polietileno Spectra®, con un diámetro de 0,762 mm, una fuerza de rotura de 4,25 kilogramos, y una elasticidad baja (aproximadamente el 3%). Una ventaja adicional del cable Spectra® es su muy apretado radio de curvatura que hace posible el uso de una polea de diámetro pequeño (4 mm de diámetro) haciendo posible conseguir una fuerza de tiro elevada por par de giro.

La Figura 11 es un bloque diagrama que ilustra los componentes de un sistema de control y el flujo de información entre esos componentes. El mecanismo de alimentación 16 se relaciona con el ordenador de control 62 a través de un módulo de conversión de bus 64. En la presente realización, el módulo de conversión 64 convierte USB en I2C y viceversa. Los datos de salida procedentes del mecanismo de alimentación 16 son introducidos en el módulo 64 para la conversión a USB y son entonces introducidos en un puerto USB 66 del ordenador 62. Los datos que están al software de control 68 pueden incluir datos actuales del motor y datos del codificador de motor para cada uno de los motores en el mecanismo de alimentación 16. Los datos de joystick (datos de posición) también pueden ser recibidos de un joystick 70. Un monitor 72 puede ser sensible a los datos de vídeo procedentes de una cámara montada en el extremo distal del manguito exterior 14 y/o el núcleo interno 12 para proporcionar retroalimentación visual a un usuario referente a la posición del extremo distal del HARP 10. El software de control 68 puede entregar comandos de límite actual de motor y comando de posición de motor que son introducidos en el mecanismo de alimentación 16.

La Figura 12 es un bloque diagrama de un sistema eléctrico a modo de ejemplo que puede ser utilizado para el mecanismo de alimentación 16. Una pluralidad de controladores de motor PID 74 es utilizada para controlar los diversos actuadores lineales 46, 48 y motores 50, 51, 52, 58. Un ejemplo de uno de los controladores de motor PID 74 se muestra con detalle en las Figuras 13A, 13B y 13C. El controlador de motor PID 74 está construido alrededor de un microcontrolador de series PIC 18F 95. El controlador de motor 74 también proporciona un chip descodificador de cuadratura 96, un chip de puente en H 97, y un chip de amplificador operacional cuádruple (“quad op amp”) (TLV2374-IPW) que tiene cuatro amplificadores 98, 99, 100 y 101. El controlador 74 también proporciona un número de componentes discretos en soporte de estos circuitos integrados así como tres conectores, un conector 103 para el motor, y los otros dos conectores 104, 105 para crear una estructura de bus de apilamiento.

El chip de cuadratura 96 descodifica los datos de codificador de dos canales procedentes de un codificador de motor y produce relojes hacia arriba y hacia abajo que son suministrados en el microcontrolador 95. El microcontrolador 95 utiliza sus circuitos contadores para contar los movimientos hacia delante y hacia atrás del eje del motor para calcular la posición actual del eje del motor.

El chip de puente en H 97 es utilizado para accionar el motor. Este chip toma una señal PWM y una señal de dirección como entrada procedente del microcontrolador 95 y enciende y apaga el motor de acuerdo con estas señales. El chip maneja los elevados voltajes y corrientes requeridos por el motor que están más allá de las capacidades de la potencia del microcontrolador 95.

El tercer chip es el amplificador operacional cuádruple. Este chip se utiliza totalmente para el control de corriente del motor. Un amplificador 98 se utiliza en una configuración de no inversión con una ganancia de 74,2 que es la alimentación de salida a uno de los pines de analógico a digital del controlador 95. Un segundo amplificador 99 está configurado como un amplificador de no inversión con una ganancia de 500 y está también conectado a un pin analógico a digital del microcontrolador 95. Esta ganancia más alta proporciona una medida de corriente más precisa en valores de corriente más bajos. Un tercer amplificador 100 se utiliza para controlar una fuente de corriente que acciona un LED con corriente proporcional a la corriente del motor. Esto, junto con un LED que en dicha la dirección de movimiento, proporciona al operador una clara indicación visual de lo que está haciendo el controlador 74.

El microcontrolador (PIC) es el corazón de esta placa. Este chip proporciona un bus I2C periférico que se utiliza para la comunicación con el ordenador principal 62. Este es un eslabón de dos vías utilizado para enviar órdenes desde el ordenador 62 al controlador 74, mientras que la información de estado fluye de nuevo desde el controlador 74 al ordenador 62. Los comandos procedentes del ordenador 62 están relacionados con los objetivos de posición y los límites actuales. El estado de envío al ordenador 62 incluye medidas de corriente eléctrica de motor y valores de codificador de motor.

El papel principal del microcontrolador 95 es mover un bucle de control de posición PID. La finalidad de este bucle PID es reducir al mínimo el error entre la cuenta de codificador de motor y un objetivo de posición generado dinámicamente. Este objetivo de posición se genera por otro componente del programa de microcontrolador, el sistema de generación de trayectoria.

El sistema de generación de trayectoria del controlador 74 crea objetivos basados en un objetivo final suministrado en el bus I2C, y el valor de tiempo hasta objetivo deseado también es suministrado en el bus I2C, como es conocido en la técnica. El generador de trayectoria utiliza estos valores para crear un perfil de velocidad trapezoidal para llevar el motor a la posición final deseada en la cantidad de tiempo especificado. Este objetivo de trabajo es actualizado en aproximadamente 1 kHz, que es también la frecuencia del bucle PID.

Simultáneamente, el microcontrolador 95 está también tomando lecturas de la corriente del motor a través del convertidor de chip de analógico a digital. Estos valores son comparador con un valor de corriente máximo suministrado por el bus I2C, y si la corriente medida excede el máximo deseado, el dato de salida PWM al puente en H es regulado de nuevo. Esto también corre a la misma frecuencia que el bucle de PID.

El controlador 74 está diseñado para permitir que múltiples controladores 74 sean apilador utilizando un conector de placa a placa de 40 conductores 104, 105 (Figura 13B) tanto en la parte superior como inferior de la placa. Debido a que el sistema utiliza el bus de I2C de multi-caída, sólo son necesarias dos conexiones entre las placas además de la energía. La mayoría de los conductores en estos conectores de apilamiento se utilizan para superar las limitaciones de corriente de único pin de pequeños conectores como estos.

Los motores están conectados a sus respectivos controladores 74 a través de un encabezado 103 de ángulo recto de separación de 2x5 100mil. Este es un conector versátil que permite cable de cinta o cableado discreto a los motores. Los motores utilizados en este sistema fueron suministrados con conectores IDC de cable de cinta.

Cada placa también proporciona 5 LEDs, uno de los cuales se muestra en la Figura 13A y los otros se muestran en la Figura 13C, con los otros conectados al microcontrolador 95 como se muestra en la Figura, 13A. Hay un LED rojo (el más cercano al conector de apilamiento) que es controlador por la corriente del motor. A continuación hay un LED amarillo que indica la señal del error procedente del bucle de PID, que indica que la dirección del eje del motor está siendo comandada para girar. El LED intermedio normalmente no se utiliza y está disponible para un uso futuro. El LED verde se utiliza como indicador de energía/arranque y está bajo el control del software. Finalmente, otro LED (cerca del conector del motor) es conmutado cada vez que se detecta un error en el bus I2C para indicar visualmente la fiabilidad del bus.

Antes de que el sistema pueda ser utilizado, el primer mecanismo 12 y el segundo mecanismo 14 debe ser “referenciado”, es decir, se deben determinar sus posiciones relativas. Esto se hace retrayendo ambos mecanismos hasta que sus actuadores lineales 46, 48 hayan alcanzado el extremo de sus rangos de desplazamiento, una condición detectada por el sistema como un incremento en la corriente del actuador. El software de control 68 utiliza la información de codificador para grabar las posiciones del primer mecanismo 12 y un segundo mecanismo 14, y la referenciación se completa.

El software de control entonces pone el sistema en modo “avance por etapas”, que se ilustra en la Figura 14. Primero, el primer mecanismo 12 se hacer rígido en 76. Véase también la Figura 15A. Esto se hace accionado su motor de tensionamiento 58 en la dirección opuesta al tiro del cable de tensión 59 hasta que el moto 58 se para en su límite de corriente. El segundo mecanismo 14 se hace flácido accionado sus motores de tensionamiento 50, 51, 52 en la dirección del tipo del cable de tensión mediante un número fijo de rotaciones, de manera que los cables se aflojan. El segundo mecanismo 14 es hecho avanzar en 80 (véase también la Figura 15B) de manera que es colocado con su extremo distal en la longitud de eslabón más allá del primer extremo de mecanismo 12. Un codificador en el actuador lineal 46 que está empujando el segundo mecanismo 14 “cuenta” lo lejos que el segundo mecanismo se ha movido.

En este punto, el software 68 está listo para la entrada de usuario. El software 68 controla la posición del joystick 70 en 82, transportando los datos de dos ejes desde el joystick hasta el sistema de coordenadas de tres ejes del segundo mecanismo 14. Las posiciones de los árboles de los motores 50, 51, 52 que controlan los cables 54, 55, 56, respectivamente, son variadas en 84 de acuerdo con la posición del joystick trasladada. Una vez que el usuario ha girado el eslabón sobresaliente del segundo mecanismo 14 en un ángulo deseado, el usuario presiona un botón sobre el joystick 70 para fijar ese ángulo en su sitio como se muestra en 86. Los motores de tres tensionamiento 50, 51, 52 son accionados en la dirección opuesta del tiro de los cables de tensión 54, 55, 56, hasta que sus limites de corriente son alcanzados y los motores se paran en 88. Esto empieza con el cable más cercano al interior del ángulo que se está formado, progresando después un pequeño retraso fijo hasta el siguiente cable y finalmente el cable en la parte más exterior del ángulo; el tensionamiento de los cables en este orden conserva el ángulo seleccionado por el usuario de forma más precisa que tensionándolos simultáneamente.

Una vez que cada uno de los motores 50, 51, 52 ha alcanzado su límite de corriente, el segundo mecanismo 14 es rígido y el primer mecanismo 12 puede ser hecho flácido de forma segura como se muestra en 90 mediante el accionamiento de su motor de tensionamiento 58 un cierto número fijo de rotaciones en la dirección del tiro del cable de tensión 59. El primer mecanismo 12 es entonces hecho avanzar una longitud de eslabón, de manera que su extremo distal está a nivel o coextensivo con el segundo extremo distal del mecanismo 14 mediante 92 y la Figura 15C. Un codificador en el actuador lineal 48 que empuja el primer mecanismo 12 se utiliza para contar lo lejos que avanza el primer mecanismo 12. Una vez en su posición, los eslabones distales tanto del primer mecanismo 12 como del segundo mecanismo 14 están en el mismo ángulo. El primer mecanismo 12 es entones hecho rígido para preservar este ángulo, y el segundo mecanismo 14 es hecho flácido como se muestra en 76 y 78. De este manera, el proceso continua, dirigiendo el eslabón distal, bloqueando su posición en su sitio, y avanzando en etapas de de único eslabón hasta que el primer mecanismo 12 y el segundo mecanismo 14 han avanzado la longitud y forma de

trayectoria deseadas.

La descripción del movimiento en combinación con la Figura 14 y las Figuras 15A – 15B supone que una cámara, no mostrada, está situada en el eslabón distal del segundo mecanismo 14. De este modo, el segundo mecanismo 14 realiza el guiado mientras que el primer mecanismo 12 simplemente lo sigue a lo largo. El proceso, por supuesto, podría ser invertido con la cámara siendo colocada en el primer mecanismo 12 de manera que el primer mecanismo 12 realiza el guiado, mientras que el segundo mecanismo 14 le sigue. En otra realización, las cámaras podrían estar provistas sobre los extremos distales tanto del primer mecanismo 12 como del segundo mecanismo 14 de manera que los dos mecanismos “saltadores” entre sí. Esto es, en lugar de que uno de los mecanismos meramente captura al otro, después de que es capturado, puede avanzar mediante un eslabón debido a su capacidad de ser dirigido. El otro mecanismo entonces “captura” y avanza una longitud de eslabón debido a que también tiene la capacidad de guiado. Se anticipa que con tal dispositivo, una posición deseada para el extremo del HARP 10 se puede obtener más rápidamente.

Aunque se anticipa que el guiado se puede conseguir a través del suso de cámaras, se pueden utilizar otros mecanismos. Por ejemplo, los eslabones distales de cada uno del primer mecanismo 12 y el segundo mecanismo 14 pueden estar compuestos de material que es visible a través del uso de rayos x, MNPI, u otros dispositivos de manera que el HARP 10 puede ser dirigido siguiendo el avance del HARP 10 co tal dispositivo. Alternativamente, una pequeña cantidad de material radiactivo se puede colocar en el extremo distal de cada uno del primer mecanismo 12 y el segundo mecanismo 14 de manera que el progreso del HARP 10 se puede seguir. El control de la trayectoria y configuración del HARP 10 se puede realizar mediante el uso de algoritmos inteligentes. La presente invención no está limitada por el tipo de mecanismo utilizado para proporcionar información para el guiado del HARP

10.

El proceso de retracción de los mecanismos tiene lugar de la misma manera que cuando avanza, pero en orden inverso, y sin dirigir la entrada desde el usuario como se muestra en la Figura 16. Una vez que el usuario ha seleccionado el modo “Retraer” utilizando el joystick 70, el segundo mecanismo 14 es retraído de manera que su extremo distal está a nivel con el extremo distal del primer mecanismo 12. El segundo mecanismo 14 es hecho rígido, y el primer mecanismo 12 es hecho flácido. Después el primer mecanismo 12 es retraído una longitud de eslabón, y el primer mecanismo 12 es hecho rígido. El segundo mecanismo 14 es hecho flácido, y de nuevo retraído hasta que el extremo distal del segundo mecanismo está a nivel con el extremo distal del primer mecanismo 12. El ciclo continúa hasta que el usuario presiona un botón para pararlo, o hasta que el primer mecanismo 12 y el segundo mecanismo 14 alcanzan sus posiciones de referencia.

Volviendo de muevo a los resultados experimentales, una cámara de fibra óptica de formato estándar y cámara de vídeo, tal como la Olympus PF14 tubo de inserción 1,4 mm fue introducida a través de la parte central abierta de los eslabones de un núcleo interior 12 diseñado para tener una abertura de 6 mm de diámetro. Otra opción sería integrar la cámara de vídeo en las paredes de los encales del manguito exterior 14, que normalmente son de 3 mm de espesor. Con tal dispositivo, y como se muestra en las Figuras 18 y 19, fuimos capaces de navegar por el espacio pericardial de un porcino.

El pericardio normal de una saco con forma de frasco de doble capa que consta de una envuelta fibrosa exterior y un saco seroso interior que es invaginado por el corazón. La cavidad o saco pericardial es una espacio virtual continua que se sitúa entre las dos capas opuestas del pericardio seroso. En las reflexiones pericardiales y en la pared posterior entre los vasos grandes, el espacio pericardial está repartida en una red continua de rebajes y senos; todas las reflexiones pericardiales están localizadas básicamente con relación a los vasos grandes. De este modo, no hay obstáculos durante la navegación intrapericardial a lo largo de la superficie ventricular anterior del corazón. Hay tres sensor en el espacio pericardial: el seno superior (también llamado cavidad aórtico superior) el senos transversal contiene varias cavidades entre los vasos principales (cavidad aórtica superior, aórtica inferior, pulmonar derecha y pulmonar izquierda). La cavidad aórtica inferior permite el acceso al aspecto epicardial de las cúspides aórticas coronaria derecha y no coronaria. El seno oblicuo se extiende detrás de los atrios, particularmente del atrio izquierdo, en la región entre las cuatro venas pulmonares. Hay cinco cavidades pericárdica: aórtica superior (SAR), aórtica inferior (AR), postcaval (PCR), pulmonar izquierda (PLVR) y pulmonar derecha (RPVR).

Como se muestra en las Figuras 18 y 19, fuimos capaces de explorar el seno oblicuo y visualizar el atrio posterior, explorar el seno transversal con entrada desde la derecha y desde la izquierda con visualización del apéndice atrial izquierdo y explorar las cinco cavidades (SAR, IAR, PCR, LPVR y RPVR). De este modo, el dispositivo y el método de la presente invención permiten varios tipos de endoscopia o visualización de órganos internos (o partes) o espacios de intracavidad desde una cámara de a bordo (o lentes y tubo de luz) montados en una sonda articulada. Son las imágenes en tiempo real proporcionadas por la cámara a bordo las que permiten la teleoperación, es decir el guiado en 3D, controlador remotamente en tiempo real.

Aunque la presente invención se ha descrito en combinación con las realizaciones preferidas de la misma, los expertos en la técnica reconocerán que son posibles muchas modificaciones, variaciones y sustituciones. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 20, el primer mecanismo 12 y el segundo mecanismo 14 se muestran en una relación separada, es decir no uno dentro del otro. En tal realización, uno o más mecanismos pueden tener miembros para manipular la relación espaciada cuando el dispositivo 10 se mueve. Por consiguiente, la presente invención no está desatinada a ser limitada por las realizaciones descritas sino solamente por el campo de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (19)

1. REIVINDICACIONES

   1. Una sonda articulada (10) que comprende:

   un primer mecanismo (12, 14) compuesto por una pluralidad de eslabones: un segundo mecanismo (12, 14) compuesto por una pluralidad de eslabones; un primer cable (59) que se extiende a través de dicha pluralidad de eslabones de dicho primer mecanismo (12, 14) o dicha pluralidad de eslabones de dicho segundo mecanismo (12, 14) y una pluralidad de cables (54, 55, 56) que discurre a través de la otra de dicha pluralidad de eslabones de dicho primer mecanismo (12, 14) o dicha pluralidad de eslabones de dicho segundo mecanismo (12, 14); un dispositivo para producir señales de instrucciones; y un alimentador electromecánico (16) sensible a dichas señales de instrucciones, siendo dicho alimentador electromecánico (16) capaz de alternar cada uno de dicho primer mecanismo (12) y segundo mecanismo (14) entre un modo flácido y un modo rígido, y que comprende:

   un primer carro móvil (42), siendo uno de dicho primer mecanismo o dicho segundo mecanismo sensible a dicho primer carro; un segundo carro móvil (44), siendo el otro de dicho primer mecanismo o dicho segundo mecanismo sensible a dicho segundo carro; un primer actuador (48) para controlar la posición de dicho primer carro (42); y un segundo actuador (46) para controlar la posición de dicho segundo carro (44).

2. 2.

   La sonda (10) de la reivindicación 1, en la que dicho mecanismo alimentador comprende:

   un primer mecanismo de tensión portado por dicho primer carro para controlar la tensión de dicho primer cable (59); y una pluralidad de mecanismos de tensión portada por dicho segundo carro para controlar la tensión de dicha pluralidad de cables (54, 55, 56).

3. 3.

   La sonda (10) de la reivindicación 2, en la que dicho primer mecanismo de tensión, dicha pluralidad de mecanismos de tensión, dicho primer actuador (48) y dicho segundo actuador (46) cada uno comprende un motor.

4. 4.

   La sonda (10) de la reivindicación 1, en la que dichos eslabones son seleccionados a partir de un grupo que consta de eslabones con forma de hueso y columna vertebral.

5. 5.

   Un método para operar una sonda articulada que tiene un núcleo interno (12) y un manguito exterior (14) cada uno sensible a un carro, y en donde uno de dicho núcleo interno (12) o manguito externo (14) empieza en un estado rígido y el otro en una estado flácido, comprendiendo el método las etapas de:

   hacer avanzar un carro al que es sensible la estructura flácida una distancia predeterminada; hacer rígida la estructura flácida utilizando un primer mecanismo de tensionamiento y la estructura rígida flácida utilizando un segundo mecanismo de tensionamiento; y repetir el proceso hasta que el extremo distal de la sonda (10) este colocado en una posición deseada, y en donde al menos uno del núcleo interno (12) y el núcleo externo (14) es dirigible cuando está en el estado flácido; en el que el método no se realiza dentro del cuerpo humano o animal.

6. 6.

   El método de la reivindicación 5, en el que el núcleo interno (12) es dirigible, y en el que dicho avance incluye avanzar dicho núcleo interno (12) la longitud de un eslabón de dicho núcleo (12) más allá de un extremo distal de dicho manguito (14), y en donde dicho avance adicional incluye avanzar dicho manguito exterior (14) de manera que el extremo distal es coextensivo con el extremo distal de dicho núcleo interno (12).

7. 7.

   El método de la reivindicación 5, en el que dicho manguito exterior (14) es dirigible, y en el que dicho avance incluye avanzar dicho manguito exterior (14) la longitud de un eslabón de dicho manguito exterior (14) más allá de un extremo distal de dicho núcleo interno (12), y en donde dicho avance adicional incluye avanzar dicho núcleo interno (12) de manera que su extremo distal es coextensivo con el extremo distal de dicho manguito exterior (14).

8. 8.

   El método de la reivindicación 5, en el que dicho núcleo interno (13) y dicho manguito externo (14) son dirigibles, y en el que dicho avance incluye avanzar dicho núcleo interno (12) la longitud de un eslabón de dicho núcleo interno (12) más allá de un extremo distal de dicho manguito externo (14), y en el que dicho avance incluye avanzar dicho manguito exterior (14) la longitud de un eslabón de dicho manguito exterior (14) más allá de un extremo distal de dicho núcleo interno (12).

9. 9.

   El método de la reivindicación 5, que adicionalmente comprende las etapas de:

   generar imágenes procedentes de un dispositivo montado en el extremo de dicha sonda a medida que dicha sonda se mueve dentro de un espacio de tres dimensiones; y utilizar las imágenes para controlar el movimiento de dicha sonda (10).

   5 10. El método de la reivindicación 9, en el que dicha generación de imágenes comprende generar imágenes con bien con una cámara o bien con una lente.
10. 11. El método de la reivindicación 5, que adicionalmente comprende las etapas de:

    10 generar imágenes de un espacio de tres dimensiones, incluyendo dichas imágenes al menos la posición del extremo distal de dicha sonda; y utilizar las imágenes para controlar el movimiento de dicha sonda.
11. 12. El método de la reivindicación 11, en el que dichas imágenes son generadas utilizando un o bien MRI, o bien 15 sonido, o bien ultrasonido, o radiación.
12. 13. El método de la reivindicación 11, en el que dicho uso de imágenes para controlar el movimiento de dicha sonda se realiza en tiempo real.

    20 14. La sonda (10) de la reivindicación 1, en la que dicho primer mecanismo (12, 14) está situado a lo largo de dicho segundo mecanismo (12, 14), incluyendo un de dicho primer y segundo mecanismos miembros para mantener una relación separada entre dicho primer y dicho segundo mecanismos.
13. 15. La sonda (10) de la reivindicación 1, en la que dicho dispositivo para producir señales de instrucciones produce

    25 señales de instrucciones para hacer que uno del primer y segundo mecanismos sea flácido mientras que el otro de dichos mecanismos sea rígido para hacer posible que el mecanismo flácido avance utilizando dicho mecanismo rígido como guía por lo que se preserva la configuración de la sonda.
14. 16. La sonda (10) de la reivindicación 2, que adicionalmente comprende una pluralidad de codificadores de eje,

    30 siendo cada uno de dicho primer mecanismo de tensión y dicha pluralidad de mecanismos de tensión sensibles a una de dicha pluralidad de codificadores de eje.
15. 17. La sonda (10) de la reivindicación 1, en la que dicho dispositivo para producir señales de instrucciones produce señales de instrucciones referenciadas a una posición de referencia.
16. 18. La sonda (10) de la reivindicación 1, en la que cada eslabón es capaz de girar en la cabeza de eslabón adyacente, actuando como una articulación esférica con aproximadamente 14º de rango de movimiento en cualquier dirección.

    40 19. La sonda (10) de la reivindicación 1, en la que uno de dicho primer mecanismo o de dicho segundo mecanismo porta una cámara en un extremo distal del mismo.
17. 20. La sonda (10) de la reivindicación 1, en la que cada uno de dicho primer mecanismo o dicho segundo

    mecanismo porta una cámara en un extremo distal del mismo, y en la que cada uno de dicho primer mecanismo y 45 dicho segundo mecanismo es dirigible.
18. 21. La sonda (10) de la reivindicación 1, en la que dichos eslabones son cilíndricos.
19. 22. La sonda (10) de la reivindicación 21, en la que dicho primer mecanismo está situado dentro de dicho segundo 50 mecanismo.