ES2547030A1 - Sistema robótico de asistencia a la cirugía mínimamente invasiva de puerto único capaz de acomodar su movimiento a la anatomía de la pared abdominal - Google Patents

Abstract

Sistema robótico de asistencia a la cirugía mínimamente invasiva de puerto único con mecanismo de orientación activa capaz de acomodar su movimiento a la anatomía de la pared abdominal que comprende un robot extra-abdominal, que a su vez comprende un efector final que, mediante campos magnéticos, permite posicionar y orientar un dispositivo médico para uso intra-abdominal El robot extra-abdominal comprende además un controlador software capaz de implementar un método para el guiado automático del dispositivo médico para uso intra-abdominal que permite su adaptación a la anatomía de la pared abdominal; y un sistema interfaz de comunicación y control que permite ordenar las acciones deseadas al sistema. Preferentemente, el sistema comprende además un dispositivo médico para uso intra-abdominal, más preferentemente un robot inta-abdominal dotado de un módulo que permite posicionar y orientar un dispositivo médico acoplado o comprendido en el robot intra-abdominal consistente preferentemente en un sistema de visión endoscópica.

Description

SECTOR TÉCNICO

5

La presente invención pertenece a los sectores de la cirugía y la robótica, concretamente

al de los sistemas de apoyo a la práctica quirúrgica, y con mayor precisión a los sistemas

robóticas especialmente disef1ados como :instrurnentos quirúrgicos.

10

ESTADO DE LA TÉCNICA

La", 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 instrwnentos requeridos por la operación en concreto,

15

asi como la óptica de una cámara que pt:rmite al cirujano obtener realimentación visual

de la zona en la que se realiza la intervención. Dentro de este tipo de intervenciones, las

técnicas de puerto (mico consisten en reducir el número de incisiones a una, en la que se

coloca un trocar multipuerto que penrute la inserción de 3 Ó 4 instrumentos. Estos

procedimientos, pese a ser menos invasivos para los pacientes, añaden dificultades

2 O

adicionales para los cirujanos que empeoran su destreza a la hora de realizar un

procedimiento quirúrgico. De un lado, al introducirse la cámara a través del mismo

puerto de entrada que los instrumentos quirúrgicos, se produce una pérdida de

triangulación que se traduce en una pérdida de sensación de profundidad en la imagen

transmitida por el endoscopio. Además, la destreza de los cirujanos se ve disminuida

25

debido a la cercanía de las herramientas que deben trabajar, y a la presencia de un

asistente que debe manejar el endoscopio desde el mismo puerto de entrada.

Con objeto de flexibilizar el movimiento del endoscopio se han propuesto

algtm35 soluciones que hacen uso de elementos flexibles para dotar a los instrumentos de

mayor capacidad de movimiento. como por ejemplo en US 2006/0178556 ó US

30

2014/0155697. Pese a que con este tipo de dispositivos se aumenta el campo de visión

del endoscopio, éste sigue ocupando un puerto de entrada.

En US8360972 se presenta un dis.positivo que proporciona un sistema de puertos

virtuales que se pueden desplazar por la. pared abdominal o adherirse a órganos de la

cavidad abdominal medianle inleracción magnética, anclajes mecánicos (haciendo uso de agujas o cJips), adhesivos o de succión. Estos puertos virtuales permiten la adhesión de instrumentos quirúrgicos, pero no proporcionan mecanismos activos de orientación de dichos instrumentos quinírgicos, como podría ser un endoscopio.

En CA 2678610 se presenta un dispositivo que incluye una consola de teleoperación que consta de una pantalla y un dispositivo de manipulación, y un robot intra-abdominal que consta de una cámara y dos. componentes que incorporan herramientas en su extremo. Dicho robot intra-abdominal se adhiere a la pared abdominal mediante interacción magnética con la consola de teleoperación. Sin embargo, este dispositivo no presenta mecanismos de orientación activa de la cámara que pennita ampliar el campo de visión de la misma.

En WO 2012/035 157 se presenta un endoscopio intra-abdominal adherido a la pared abdominal mediante interacción magnética. El dispositivo ¡ntra-abdominal consta de dos elementos unidos mediante un elemento flexible. El primero de ellos constituye el anclaje del dispositivo a la pared abdomi:nal y dota al conjunto de estabilidad, mientras que el segundo elemento incorpora un sistema de visión en su extremo. Dicho elemento presenta un grado de libertad de rotación, mediante la rotación (llevada a cabo manualmente) de tUl elemento magnético exterior y un grado de libertad de inclinación, actuado mediante un motor electromagnético que se opera desde el exterior de la cavidad abdominal mediante la aplicación de campos magnéticos de intensidad y orientación variables. El cambio en la inclinación del sistema de visión supone un movimiento lineal completo del elemento móvil del dispositivo ¡ntra-abdominal, lo que implica un acercamiento del sistema de visión al área de trabajo. El dispositivo se alimenta mediante corriente eléctrica externa introducida mediante un cable, que se introduce en la cavidad abdominal a través de uno de los puertos de entrada. La necesidad de introducir un cable en la cavidad abdominal puede dificultar la maniobrabilidad del instrumental quinírgico por parte del cirujano. Resumiendo, el estado de la técnica presenta las siguientes limitaciones:

1.

Los dispositivos que incorporan ·endoscopios intra-abdominales se controlan manualmente mediante manipulación directa de un elemento extra-abdominal, lo que requiere la presencia de un asistente que maneje dicho elemento.

2.

La manipulación del elemento extra-abdominal mediante un brazo robótiw requiere que éste acomode su movimiento a la anatomía de la cavidad abdominal con el objeto

de no dañar al paciente ejerciendo fuerzas indeseadas sobre la pared abdominal. La

anatomía de la pared abdominal constituye un parámetro desconocido y de naturaleza

variable, no sólo entre diferentes pacientes, sino también entre diferentes puntos de la

constitución de cada paciente. En el estado de la técnica no existen dispositivos que

5

sean capaces de mover el elemento extra-abdominal acomodando su movimiento a la

anatomía de la cavidad abdominal de los pacientes.

3, No existen dispositivos que sean capaces de mover el elemento extra-abdominal

controlando y adaptando la fuerza ejercida por el mismo sobre la pared abdominal de

los pacientes.

10

4. El cambio en la inclinación del sistema de visión mediante elementos móviles (como

el presentado en WO 2012/035157) implica un acercamiento de la cámara a los

órganos, lo que reduce el campo de visión de la misma.

5. El cambio en la inclinación del sistema de visión mediante elementos móviles (como

el presentado en WO 2012/035157) requiere de un espacio de trabajo dentro de la

15

cavidad abdominal de cómo mínimo la longitud del elemento móvil, lo que puede

implicar la necesidad de introducir Wla mayor cantidad de COz en los pacientes COn

objeto de aumentar el espacio de trabajo del dispositivo.

6. No existen sistemas de visión intra··abdominales con mecanismo de orientación

activa que no impliquen la necesida.d de una fuente de alimentación externa que

2O

requieren la ocupación de un puerto di: entrada con sistemas de cableado.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El presente documento describe un sistema robótico de asistencia a la cirugía

25

mínimamente invasiva, en particular, en técnicas de puerto único, sin la necesidad de

utilizar un puerto de entrada, lo que permite liberar un puerto de entrada, y capaz de

acomodar su movimiento a la anatomía de la pared abdominal, pennitiendo el

desplazamiento de un dispositivo médico" preferentemente robot intra-abdominal dotado

de un sistema de visión endoscópica. a lo largo de la pared abdominal de forma segura

3 O

para el paciente.

El sistema comprende un robot ,extra-abdominal, que a su vez comprende un

efector final que puede ser fijo o removible. El robot extra-abdominal comprende,

además del (i) efector final que, mediante campos magnéticos, permite posicionar y

orientar un dispositivo médico para uso iotra-abdominal; (ii) un controlador software

capaz de implementar un método para el guiado automático del dispositivo médico para

uso intra-abdominal y que permite su adaptación a la anatomía de la pared abdominal; y

(iij) un sistema interfaz de comunicación y control que permite ordenar las acciones

5

deseadas al sistema. El controlador del robot extra-abdominal es capaz de realizar el

desplazamiento del efector final siguiendo la anatomía de la pared abdominal del

paciente, de manera que se asegure un desplazamiento suave y la continuidad del acople

magnético entre el robot extra-abdominal y el robot intra-abdominal, y controlando la

fuerza ejercida sobre la mi sma, evitando posibles daños sobre el paciente. Para ello, el

10

sistema, particularmente el robot extra-abdominal, comprende un sensor de fuerza /

momento.

Más preferentemente, el sistema ,:omprende además un dispositivo médico para

uso ¡ntra-abdominal, preferentemente un robot intra-abdominal, dotado de un módulo

que permite posicionar y orientar un dispositivo médico acoplado o comprendido en el

15

robot intra-abdominal, dispositivo médico consistente preferentemente en un sistema de

visión endoscópica, que puede ser, como en el caso del efector final del robot extra

abdominal, fijo o removible. El mecanismo de posicionamiento del robot intra-abdominal

se realiza mediante campos magnéticos, lo que permite el desplazamiento libre del

mismo a lo largo de la pared abdominal mediante el desplazamiento del efector final del

2 O

robot extra-abdominal. Dicho desplazamiento se realiza de fonna automática en función

de las acciones ordenadas a través del sistema interfaz.

El sistema comprende un mecanismo de orientación activa de dos grados de

libertad basada en campos magnéticos, actuado mediante el robot extra-abdominal, que

permite girar e inclinar el dispositivo médico comprendido en el robot intra-abdominal,

25

preferentemente un sistema de visión endoscópica Preferentemente, el sistema

comprende un tercer grado de libertad, correspondiente al movimiento de

acercamiento/alejamiento, que se realiza mediante software, por ejemplo a través de la

implementación del zoom de los sistemas de visión endoscópica convencionales.

En una realización preferida, el dispositivo médico comprendido en el robot intra

3 O

abdominal es un sistema de visión endoscópica, dicho sistema dotado de tres grados de

libertad, dos de ellos activos (giro y orientación) y un tercero actuado mediante software

(acercamiento o zoom), lo quc pcnnitc obtener un campo de visión completo del interior

de la cavidad abdominal. Además se recupera la triangulación entre el sistema de visión

endoscópica y el instrumental quirúrgico en las técnicas de puerto único.

En una realización preferida, el robot intra~abdominal comprende una fuente de

alimentación eléctrica mediante baterías, evitando la necesidad de cableado desde el

5

exterior de la cavidad abdominal.

BREVE EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1: esquema general del sistema robótica de asistencia a la cirugía mínimamente

10

invasiva de puerto único capaz de acomodar su movimiento a la anatomía de la pared

abdominal

Figura 2: esquema del robot intra~abdominal

Figura 3: detalle de la parte inferior del robot intra~abdominal

Figura 4: esquema del efector final

15

Figura 5: detalle del mecanismo de orientación de la cámara.

Figura 6: detalle de los sistemas de referencia del sistema robótico y el entorno

Figura 7: esquema general del controlador

Figura 8: detalle del control hIbrido fuerza~posición

Figura 9: detalle del módulo de compensación de pares

2 O

Figura 10: diagrama de bloques del sistema robótico de asistencia a la cirugía

mínimamente invasiva de puerto único ca:paz de acomodar su movimiento a la anatomía

de la pared abdominal

MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

25

La constitución y características de la invención se comprenderán mejor con ayuda de la

siguiente descripción de ejemplos de realización, debiendo entenderse que la invención

no queda limitada a estas realizaciones, sino que la protección abarca todas aquellas

realizaciones alternativas que puedan incluirse dentro del contenido y del alcance de las

3 O

reivindicaciones adjuntas.

En la Figura 1 se muestra el esquema general de un sistema robótico de asistencia

a la cirugía mínimamente inva:;iva de pue:rto único capaz de acomodar su movimiento a

la anatomía de la pared abdominal 5 confbrrne a la invención, y que comprende Wl robot

extra-abdominal 1 con un efector final 2 especialmente dis!:ñado para posicionar y

orientar un sistema de visión endoscópica 8 de un robot intra-abdominal 3. El robot intra

abdominal 3 se introduce en la cavidad abdominal 4 a través del puerto de entrada 6, por

el que se introduce el instrumental quirúrgico 7, y se fija a la pared abdominal S mediante

5

interacción magnética con el efector final 2. El desplazamiento del efector final 2

produce un desplazamiento de igual magnitud y sentido del robot intra-abdominal 3,

permitiendo posicionarlo en cualquier punto de la pared abdominal S, de manera que

mediante este sistema se permite obtener un mayor campo de visión que con un

endoscopio convencional, cuyo movimiento se encuentra restringido por el punto de

10

fulcro.

El robot ¡ntra-abdominal 3 (Figuras 2 y 3) comprende un sistema de visión

endoscópica 8, en particular una cámara capaz de transmitir las imágenes a un receptor

exterior de forma inalámbrica; un sistema de iluminación que comprende un conjunto de

6 LEDs 9, lO, 11, 12, 13, 14; dos imanes pemlanentes 16, 17; Y un módulo 26 para la

15

orientación de la cámara mediante campos magnéticos. La cámara se encuentra protegida

mediante una cúpula 15 de material transparente, que evita un posible contacto con los

órganos del paciente. El sistema de visión endoscópica y el sistema de iluminación se

alimentan mediante un conjunto de 6 baterías recargables 20, 21, 22, 23, 24, 25 de 1.5

voltios cada una, que se activan y desactivan mediante un interruptor 19. Dichas baterías

2 O

se cargan mediante el interruptor 18.

El efector final 2 del robot extra-abdominal 1 (Figura 4) comprende un

componente 27 y un componente 34. El componente 27 se acopla al extremo del robot

extra-abdominal 1, en el que se dispone: de un sensor de fuerza/momento SO de seis

grados de libertad, mediante un sistema de rosca 28. La rotación de este componente se

25

realiza mediante la rotación de la última articulación del robot extra-abdominal 1, tal

como indica la fl echa 40. El mecanismo de acoplamiento entre los componentes 27 y 34

se realiza introduciendo los módulos 29 y 30 del componente 27 en los módulos 35 y 36

del componente 34, respectivamente, de manera que ambos componentes quedan

perfectamente acoplados, por lo que la rotación o despla7..amiento del componente 27

3 O

provoca una rotación O desplazamiento solidario del componente 34. Dicho mecanismo

de acoplamiento permite desacoplar ambos componentes, permitiendo desplazar o rotar

el componente 34 de foona independiente. De esta manera se dota de flexi bilidad al

sistema robótico de asistencia a la cirugía mínimamente invasiva, incorporando la opción

de utilizar únicamente el robot ¡ntra-abdominal 3 junto con el componente 34, en lugar

del sistema completo. El componente 27 contiene un motor lineal 33, que produce el

desplazamiento del módulo 31 en el sentido indicado por la flecha 41. El módulo 31

contiene un imán permanente 32 adherido a su parte inferior, de manera que, cuando los

5

componentes 27 y 34 se encuentran acoplados. se atrae magnéticamente al imán

permanente 39, provocando un despla2.amiento del mismo, según la flecha 42, solidario

con el desplazamiento del módulo 31 provocado por la actuación del motor lineal 33. La

interacción magnética entre el componente 34 y el robot intra-abdominal 3 se realiza

mediante la alineación de los imanes permanentes 37 y 38 con los imanes permanentes

10

16 Y 17, respectivamente, quedando únicamente separados por la pared abdominal 5 del

paciente.

La fi gura 5 muestra un detalle de módulo 26 que permite el cambio de orientación

del sistema de visión 8. Dicho módulo se acopla al robot intra-abd~minal 3 mediante los

ejes de giro 45 y 46, Y al sistema de visión endoscópica 8 mediante los elementos 47 y 48

15

de manera que el giro de dicho módulo 26 provoca un giro solidario del sistema de visión

endoscópica 8. El módulo 26 contiene un imán permanente cilíndrico 43, en cuyo

extremo superior se encuentra adherido el imán permanente esférico 44. Cuando el

componente 34 y el robot ¡ntra-abdominal 3 se encuentran acoplados magnéticamente

mediante los imanes permanentes laterales 16, 17,37 Y 34, el imán permanente 44 queda

20

atraído por el imán permanente 39, de manera que el desplazamiento del imán

permanente 39 en la dirección de la flecha 42 produce un desplazamiento solidario del

imán permanente 44 en la dirección indicada por la flecha 49, provocando el giro del

módulo 26, y por tanto del sistema de visión endoscópica 8, alrededor de los ejes de giro

45 y 46. El desplazamiento del robot intra-abdominal 3 a lo largo de la pared abdominal

25

5 se realiza mediante el desplazamiento del efector final 2 del robot extra-abdominal 1.

Para que dicho desplazamiento se realice de forma segura para el paciente es necesario

controlar la fuerza ejercida por el efector final 2 sobre la pared abdominal y la

perpendicularidad del mismo respecto a la superficie de la pared abdominal, con objeto

de que la distribución de fuerzas sea uniforme en el área de contacto así como reducir el

3 O

riesgo de una posible pérdida de interacción magnética entre el efector final 2 y el robot

¡ntra-abdominal 3. Para ello, es necesario que el controlador del sistema sea capaz de

identificar tanto el plano tangente a In pored abdominal 5 en el punto de contacto, como

la dirección normal a la misma, dado que la pared abdominal 5 dc un pacicnte es un

entorno variable y desconocido a priori por el sistema.

La figura 6 muestra los sistemas de referencia del sistema robótico y del entorno,

donde {Xn, Yn, Zn} representa el sistema de referencia de la n-ésima articulación 51 del

5

robot extra-abdominal 1, {XE, YE, ZE} representa el sistema de referencia del efector

final 2, que coincide con el sistema de referencia anterior cuando este se encuentra

acoplado al robot extra-abdominal 1, y {X, Y, Z} representa el sistema de referencia de

la pared abdominal 5 en el punto de contacto del efector final 2., El controlador capaz de

acomodar el movimiento del efector final 2 a la anatomía de la cavidad abdominal

10

comprende un módulo de compensación de pares gravitatorios y un control híbrido de

fuerza-posición. El módulo de compensación de pares se encarga de mantener el efector

final 2 perpendicular a la pared abdominal 5 en el punto de contacto, permitiendo

coincidir los sistemas de referencia del (;fector final 2 y de la pared abdominal 5 en el

punto de contacto. De esta manera, el control híbrido fuerza-posición, encargado de

15

generar las consignas de movimiento del robot extra-abdominal l en las tres direcciones

del espacio, es capaz de desacoplar el movimiento en la dirección Z, en la que se generan

las fuerzas de contacto sobre la pared abdominal 5 del paciente, y en el plano X-Y, en el

que se generarán las consignas de desplazamiento. Dicho desacople pennite un

desplazamiento suave del efector final 2 sobre la pared abdominal 5, asegurando una

2 O

distribución de fuerzas constante en el plano X-Y, y asegurando la correcta interacción

magnética entre el efector final 2 y el robot intra-abdominal 3.

La figura 7 muestra el esquema general del controlador capaz de controlar la

fuerza ejercida por el efector final 2 sobre el paciente y acomodar su movimiento a la

anatomía de la pared abdominal 5. El controlador recibe las consignas de fuerza,

25

desplazamiento y par deseadas del efector final 2, a través de un componente supervisor

que se encarga de transformar las órdenes del usuario en las consignas de fuerza,

desplazamiento y par previamente mencionadas. Un control lubrido fuerza-posición se

encarga de transformar las consignas de movimiento y fuerza en consignas de posición

del robot extra-abdominal 1, cuyo movimiento es solidario al movimiento del efector

3 O

final 2, mientras que un módulo de compensación de pares se encarga de transfonnar la

consigna de par deseado en el efector final 2 en una consigna de orientación del mismo.

Dado que el objeto del módulo de compensación de pares es mantener el efector final 2

perpendicular a la pared abdominal 5, y por tanto, en la dirección Z, se debe mantener

una distribución de fuerzas en el efector final 2 uniforme, de modo que el par generado

debido a la interacción entre el efector final 2 y el entorno debe ser nulo. De ahí que la

consigna de par deseado se debe esta.blecer con valor nulo en las tres direcciones del

espacio. Dado que para el correcto desplazamiento del efector final 2 es necesario

5

asegurar la perpendicularidad del mismo a la pared abdominal 5, el módulo de

compensación de pares se implementa con un tiempo de muestreo lo suficientemente

menor al tiempo de muestreo del control híbrido fuerza-posición de manera que se

asegure que la orientación del efector final es correcta antes de enviar una nueva

consigna de posición al robot extra-abdominal l.

10

La figura 8 muestra el esquema. del control híbrido fuerza-posición, que recibe las

consignas de desplazamiento y fuerza deseadas, y envía al robot una única consigna de

posición en las tres direcciones del espacio. Tal y como se ha mencionado anteriormente,

dado que el efector final 2 se encuentra perpendicular a la pared abdominal 5 gracias al

módulo de compensación de pares gravitatorios, es posible desacoplar en el espacio

15

cartesiano las consignas de fuerza y desplazamiento mediante las matrices D e I-D, de

manera que el control de posición y el control de fuerza actúan en paralelo. El control de

fuerza transfonna la consigna de la fuerza que se deseada ejercer sobre la pared

abdominal 5 del paciente, en una consigna de posición en la dirección Z (perpendicular a

la pared abdominal 5). Para ello, se asume un modelo de interacción elástico entre el

2 O

efector final 2 y la pared abdominal 5~ de constante elástica K){. La constante elástica es

un valor a priori desconocido por el sistema, y variable de paciente a paciente así como

para diferentes puntos de contacto, es decir, para un mismo paciente, la constante elástica

Kx no es un valor constante en toda la superficie de la cavidad abdominal, de manera que

su valor debe calcularse on-line durante el procedimiento en el que se utilice el sistema

25

robótica descrito en la presente patente. La estimación de la constante elástica Kx se

realiza haciendo uso del algoritmo de mínimos cuadrados recurrentes, que pennite

actualizar el valor de dicha constante El partir de medidas de fuerza y posición del robot

extra-abdominal 1 obtenidas durante el funcionamiento del mismo. De este modo, el

valor de la constante elástica Kx se calc:ula mediante la siguiente ecuación:

30

KxCt + 1) = Kx(t) + R(t)(IlF,(t + 1) IlP,(t + 1)Kx(t))

donde Kx(t) y Kx(t+ 1) representan el valor de la constante elástica en dos instantes de tiempo consecutivos, llFz(t + 1) representa el incremento de fuerza obtenido por el sensor de fuerza/momento 50 en la dirección Z en el instante t+ 1, llPzCt + 1) representa el incremento de posición del robot extra·abdominal 1 en la dirección Z en el instante

5 t+1, Y R(t) es una constante calculada mediante la siguiente expresión:

Q(t)LlPz(t + 1)

R(t) = 2 1 + (LlPz(t + 1)) Q(t)

donde Q(t) es una constante que se actualiza mediante:

Q(t + 1) = Q(t) 2 1 +(LlPz(t + 1)) Q(t) 10 La figura 9 muestra el esquema de control del módulo de compensación de pares gravitatorios, que tiene como consigna: de entrada un valor nulo del momento deseado y genera la consigna de orientación del robot extra-abdominal 1 de manera que el efector final 2 se mantenga perpendicular a la pared abdominal 5 en su punto de contacto 51 15 (Figura 10). Cuando se produce el contacto del efector final 2 con la pared abdominal 5, la dirección de la fuerza ejercida por el primero sobre el segundo es siempre perpendicular a la superficie de contacto (pared abdominal 5), tal y como indica la flecha 52 de la Figura 10, por lo que la direc:ción de la fuerza obtenida mediante la lectura del sensor fuerza/momento 50 prolX>rciona la dirección del eje Z. Si el efector fmal 2 se 20 encuentra perpendicular a la pared abdominal 5, el momento generado en su superficie será nulo, y por lo tanto, los ejes ZE y Z serán paralelos. Sin embargo, en una situación como la dcscrita en la Figura 10, en la que no se produce tal perpendicularidad, los ejes ZE y Z no son paralelos, fonnando entre ellos un ángulo a. El objeto del módulo de compensación de pares es proporcionar una consigna de orientación que haga nulo el 25 ángulo a, de manera que arnoos ejes sean paralelos. El bloque modelo geométrico calcula el valor del ángulo a como el ángulo t ::mnado entre el eje ZE (paralelo al eje Zn del robot extra-abdominal) y el vector de fuerza obtenido mediante la lectura del sensor fuerza/momento 50, así como el eje de giro sobre el que se debe realizar el giro del robot extra-abdominal l para colocarse en la situación perpendicular deseada comentada

anteriormente. Dil:ho eje de giro l:orresponde Con el vector opuesto al vector de momento obtenido por el sensor fuerza/momento 50.

La Figura II muestra el diagrama de bloques del sistema robótico de asistencia a la cirugía mínimamente invasiva de puerto único capaz de acomodar su movimiento a la anatomía de la pared abdominal. Dicho diagrama, que presenta una arquitectura jerárquica, está compuesto de un componente supervisor que transforma las órdenes emitidas por el usuario y recibidas a través del sistema de interfaz, en consignas de movimiento del robot extra-abdominal 1 y consignas de movimiento del motor lineal 33 (que provocan un cambio en la orientación del sistema de visión 8 según el mecanismo de interacción magnética descrito anteriormente), y el controlador previamente descrito. El controlador actúa directamente sobre el robot extra-abdominal 1, que gracias al mecanismo de interacción magnética con el robot intra-abdominal 3 a través del efector final 2, modifica la posición del robot intra-abdominal 3. El sistema de visión endoscópica 8 transmite las imágenes de forma inalámbrica a un sistema receptor, que a su vez, envía al sistema de interfaz, preferiblemente a una pantalla, de manera que el usuario sea capaz de visionar las imágenes recogidas por el sistema de visión endoscópica 8 en tiempo rea1. Las comunicaciones entre los diferentes elementos de la arquitectura representada en la Figura 11 se realizan, preferiblemente, mediante el sistema operativo ROS, pudiéndose emplear otros sistemas de comunicación.

Como medios de entrada de órdenes, en la realización preferida del sistema se cuenta con un joystick O palanca y un micrófono, preferiblemente inalámbrico (aunque también puede ser convencional), que porta el usuario. Pero también pueden disponerse otros medios de entrada, como una pantalla táctil adosada a la estructura del robot extraabdominal 1 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, estado del sistema, información relativa al funcionamiento de otros equipos (que también pueden controlarse desde la pantalla táctil), u otra información que se considere de interés.

Claims (29)

1. REIVINDICACIONES

   l. Sistema robótico de asistencia a la cirugía mínimamente invasiva de puerto único capaz de acomodar su movimiento a la anatomía de la pared abdominal caracterizado por comprender un robot extra-abdominal l que, a su vez, comprende un efc.::<.:tor final 2 que pc.::rmitc.:: posicionar y orientar un dispositivo médico para uso ¡ntra-abdominal mediante interacción magnética, de forma que el desplazamiento del efector final 2 determina un movimiento de igual magnitud y sentido del dispositivo médico pa:ra uso intra-abdominal.

2. 2.

   Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por comprender además un controlador software capaz de implementar un método para el guiado automático del dispositivo médico para uso íntra-abdominal y que permite su adaptación a la anatomía de la pared abdominal 5; y (iii) un sistema interfaz de comunicación y control que permite ordenar las aeciones deseadas al sistema.

3. 3.

   Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por comprender además un sensor de fuerza I momento 50 en el extremo inferior del robot extra-abdominal 1 que permite al controlador del robot extra-abdominal realizar el desplazamiento del efector final 2 siguiendo la anatomia de la pared abdominal 5 del paciente, de manera que se asegure un desplazamiento suave y la continuidad del acople magnético entre el robot extra-abdominal l y el dispositivo para uso intra-abdominal, y controlando la fuerza ejercida sobre la misma, evitando posibles daños sobre el paciente.

4. 4.

   Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que el sensor de fuerza / momento 50 presenta seis grados de libertad.

5. 5.

   Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4 caracterizado por que el controlador software capaz de implementar un método para el guiado automático del dispositivo médico para uso intra-abdominal y que permite su adaptación a la anatomía de la pared abdominal 5 comprende (i) un módulo de compensación de pares que permite mantener el efector final 2 perpendicular a la pared abdominal 5 en el punto de contacto, permitiendo coincidir los sistemas de referencia del efector final 2 y de la pared abdominal 5 en el punto de contacto; y (ii) un control híbrido fuerza-posición que permite generar las consignas de movimiento del robot extra-abdominal 1 en las tres direcciones del espacio, y que permite

   desacoplar el movimiento en la. dirección Z, en la que se generan las fuerzas de contacto sobre la pared abdominal 5, y en el plano X-Y, en el que se generarán las consignas de desplazamiento, dicho desacoplamiento permitiendo un desplazamiento suave del efector final 2 sobre la pared abdominal 5, asegurando

   una distribución de fuerzas constante en el plano X-Y, y asegurando la correcta interacción magnética entre el efector final 2 y el robot ¡otra-abdominal 3.
6. 6. Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que el control híbrido fuerza-posición transforma la consigna de la fuerza que se deseada ejercer sobre la pared abdominal 5 del paciente. en una consigna de posición en la dirección Z (perpendicular a la pared abdominal 5) asumiendo un modelo de interacción elástico entre el efector final 2 y la pared abdominal 5. de constante elástica Kx. dicha trdnsfonnación oomprendiendo el cálculo la constante elástica Kx.
7. 7. Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que el cálculo la constante elástica Kx se realíza haciendo uso del algoritmo de mínimos cuadrados recurrentes (que pennite actualizar el valor de dicha constante a partir de medidas de fuerza y posición del robot extra-abdominal l obtenidas durante el funcionamiento del mismo), mediante la ecuación:

   KxCt + 1) = KxCt) + R(t) (ÓFz(t + 1) -óPz(t + 1)Kx(t))

   donde Kx(t) Y Kx(t+ 1) representan el valor de la constante elástica en dos

   instantes de tiempo consecutivos. ófz(t + 1) representa el incremento de fuerza

   ohtenido por el sensor de fuerza/momento 50 en la dirección Z en el instante t+ 1 . .6.Pz(t + 1) representa el incremento de posición del robot extra-abdominal 1 en la dirección Z en el instante t+ l. y R(t) es una constante calculada mediante la expresión:

   Q(t)ÓPzCt +1)

   R(t) = , 1+ (ÓPzCt +1)) Q(t)

   donde Q(t) es una constante qUc~ se actualiza mediante:

   Q(t + 1) = Q(t) 2 1 + (LlP,(t + 1)) Q(t)

8. 8.

   Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7 caracterizado por que el módulo de compensación de pares permite proporcionar una consigna de orientación que haga nulo el ángulo a (ángulo entre -i-la dirección de la fuerza ejercida por el efector final 2 sobre la pared abdominal 5, y -ii-la dirección del eje Z, proporcionada por la dirección de la fuerza obtenida mediante la lectura del sensor de fuerza/momento 50), y por tanto los ejes ZE y Z serán paralelos, calculando para ello el valor del ángulo a como el ángulo formado entre el eje ZE (paralelo al eje Zn del robot extra-abdominal) y el vector de fuerza obtenido mediante la lectura del sensor fherza/momento 50, así como el eje de giro sobre el que se debe realizar el giro del robot extra-abdominal 1 (dicho eje de giro corresJX>ndiendose con el vector opuesto al vector de momento obtenido JX>r el sensor fuerz.a!momento 50) para colocarse en la situación perpendicular deseada.

9. 9.

   Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado JX>r que el efector final 2 comprende u:n comJX>nente 27 que permite su acoplamiento al robot extra-abdominal 1

10. 10.

    Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que el componente 27 acopla el efector final 2 al extmmo inferior del robot extra-abdominal 1 mediante un sistema de rosca 28.

11. 11.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10 caracterizado por que el efector final 2 comprende además un componente 34 que a su vez comprende medios de interacción magnética que permiten posicionar y orientar un dispositivo médico para uso intra-abdominal mediante interacción magnética.

12. 12.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 caracterizado por que los componentes 27 y 34 comprenden los módulos 29 y 30, Y los módulos 35 y 36, respectivamente, que permiten su acoplamiento entre sí.

13. 13.

    Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que el acoplamiento entre los componentes 27 y 34 es reversible, permitiendo que el componente 34

    sea desplazado o rotado de forma independiente y en combinación con un dispositivo para uso intra-abdominal sin participación del resto del sistema.

14. 14.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 caracterizado por que el componente 27 Y el componente 34 comprenden medios de interacción magnética

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    entre sí, dicho componente 27 comprendiendo un motor lineal 33 que pennite desplazar un módulo 31, dicho módulo 31 conteniendo los medios de interacción magnética comprendidos en el componente 27 que, cuando los componentes 27 y 34 están 'acoplados, penniten atraer y desplazar medios de interacción magnética

    5 comprendidos en el componente 34.
15. 15. Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que los medios de interacción magnética comprendidos en los componentes 27 y 34 para su interacción entre sí consisten en un imán pennante 32 y en un imán permanente 39, respectivamente.

    10 16. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15 caracterizado por que el componente 34 comprende además medios de interacción magnética para su interacción con el dispositivo para uso intra-abdominal, dicho dispositivo comprendiendo igualmente medios de interacción magnética en correspondencia con los comprendidos en el componente 34.

    15 17. Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que la interacción magnética entre el componente 34 y el dispositivo para uso ¡ntra-abdominal se realiza mediante la alineación de unos imanes pennanentes 37 y 38 con unos imanes pennanentes 16 y 17, respectivamente.
16. 18. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por 20 comprender además un dispositivo para uso intra-abdominal.
17. 19. Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que el dispositivo para uso intra-abdominal consiste en un robot intra-abdominal 3 que comprende un módulo 26 que permite posicionar y orientar un dispositivo médico acoplado o comprendido en el robot intra-abdominal 3.

    25 20. Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que el módulo 26 se acopla al robot intra-abdominal 3 mediante unos ejes de giro 45 y 46, Y al dispositivo médico acoplado o comprendido en el robot intra-abdominal 3 mediante unos medios de interacción magnética.
18. 21. Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que los medios de

    30 interacción magnética que penniten el acoplamiento entre el módulo 26 y el dispositivo médico acoplado o comprendido en el robot ¡ntra-abdominal 3 consisten en un imán pennanente cilíndrico 43 y, en el extremo opuesto al módulo 26 de dicho imán pennanente 23, un imán pennanente esférico 44.

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19. 22.

    Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que cuando el componente 34 y el robot intra-abdominal 3 se encuentran acoplados magnéticamente, el imán permanente 44 queda atraído por el imán permanente 39 de forma que el desplamiento del imán permanente 39 produce un desplazamiento solidario del imán permanente 44 provocando el giro del módulo 26, y con él del dispositivo médico acoplado o comprendido en el robot ¡ntra-abdominal 3, alrededor de los ejes de giro 45 y 46.

20. 23.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22 caracterizado por que el dispositivo médico acoplado o comprendido en el robot intra-abdominal 3 es un sistema de visión endoscópica 8.

21. 24.

    Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que el sistema de visión endoscópica 8 consiste en una cámara capaz de transmitir imágenes a un receptor exterior de forma inalámbrica.

22. 25.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 24 caracterizado por que el sistema de visión endoscópica 8 está protegido por una cúpula transparente que a su vez evita daños en el paciente.

23. 26.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 25 caracterizado por que el robot jntra-abdominal 3 comprende además un sistema de iluminación, medios de interacción magnética y un módulo 26 para la orientación del sistema de visión endoscópica 8 mediante interacción magnética.

24. 27.

    Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que el sistema de iluminación comprende un cojunto de LEDs.

25. 28.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 27 caracterizado por que el robot intra-abdominal 3 comprende una fuente de alimentación eléctrica mediante baterías.

26. 29.

    Sistema según la reivindicación anterior caracterizado por que las baterías se activan y desactivan mediante un interruptor 19.

27. 30.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30 caracterizado por que las baterías se cargan mediante el interruptor 18.

28. 31.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 30 caracterizado por que comprende un componente supervisor que se encarga de transformar las órdenes del usuario en las consignas de fuerza, desplazamiento y par deseadas; siendo dichas consignas transformadas por el control híbrido fuerza-posición y el

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    módulo de compensación de pares en consignas de posición y orientación del robot extra-abdominal 1, cuyo movimiento es solidario al movimiento del efector final 2.
29. 32. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 30 caracterizado por que comprende un componente supervisor que transfonna las órdenes emitidas por el usuario y recibidas a través del sistema de interfaz, en consignas de movimiento del robot extra-abdominal 1 y consignas de movimiento del motor lineal 33.