ES2607227B2 - Método de manejo de un sistema robótico para cirugía mínimamente invasiva - Google Patents

Abstract

Método de manejo de un sistema robótico para cirugía mínimamente invasiva que comprende: planificar una posición y orientación de un efector a partir del desplazamiento de un dispositivo háptico, de coordenadas de referencia y modeladas del efector y de estimación de posición del fulcro; obtener posiciones y velocidades articulares para que la unidad robótica localice la siguiente posición y orientación del efector; mover el efector; medir fuerzas y pares ejercidos por dicho efector y por un instrumento mínimamente invasivo al realizar dicho movimiento; determinar la contribución de dicha medición debida a la interacción con el punto de fulcro y con el tejido interno; estimar la distancia exterior a que se encuentra el punto de fulcro respecto del efector modelado; estimar la rigidez del tejido en contacto con el instrumento y calcular una fuerza de reacción simulada; enviarla al dispositivo háptico y a su vez a la mano del cirujano.

Description

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DESCRIPCION

METODO DE MANEJO DE UN SISTEMA ROBOTICO PARA CIRUGiA MiNIMAMENTE INVASIVA Campo de la invencion

La presente invencion pertenece a los sectores de la cirugia y la robotica, concretamente al de los sistemas de apoyo a la practica quirurgica, y con mayor precision a los sistemas roboticos especialmente disenados como instrumentos quirurgicos.

Antecedentes de la invencion

La cirugia minimamente invasiva consiste en realizar una intervencion a traves de un numero mmimo de pequenas incisiones al paciente, en torno a los 1-2 cm de longitud. Concretamente, la cirugia laparoscopica es un tipo de cirugia minimamente invasiva en la que se utilizan herramientas con forma de cana larga para realizar la intervencion quirurgica. El numero de herramientas depende de la intervencion pero como minirno una de ellas debera ser capaz de transmitir al cirujano una imagen del campo quirurgico, y usualmente consiste en una optica con una camara acoplada al extremo externo al paciente. Esta tecnica quirurgica se puede emplear en multitud de intervenciones como las abdominales (colecistectomia, nefrectomia, prostatectomia...), intracraneales (reseccion tumoral...) o de traumatologia (artroscopia, ortopedias...). En el caso de la cirugia laparoscopica abdominal se requiere crear una boveda abdominal mediante la insercion de un gas inerte (normalmente dioxido de carbono) para permitir la movilidad de las herramientas laparoscopicas, de manera que el gas queda ocluido en el interior de la cavidad abdominal por el uso de unas valvulas especiales denominadas trocares que se colocan en las incisiones abdominales y permiten el paso de las herramientas quirurgicas.

La cirugia laparoscopica presenta una serie de ventajas para el paciente como la presencia de cicatrices mas pequenas tras la intervencion y un tiempo de recuperacion postoperatoria mucho menor que en cirugia abierta. Sin embargo, la cirugia laparoscopica limita las habilidades que posee el cirujano respecto a las de una intervencion abierta. Algunos ejemplos son la perdida de la vision tridimensional al visualizar una imagen en una pantalla, la inversion de movimientos de las herramientas laparoscopicas debido a la restriccion al movimiento inherente al punto de insercion que se encuentra localizado en la incision o punto de fulcro, asi como la perdida de sensacion tactil al no estar los dedos del cirujano en contacto directo con el paciente.

Una solucion que el estado de la tecnica propone a estos problemas consiste en utilizar un dispositivo robotico como herramienta intermedia para el cirujano. Estos dispositivos roboticos pueden tener uno o varios brazos manipuladores segun el numero de herramientas que sean capaces de manipular, y se pueden clasificar en dos grupos principales: los asistentes roboticos y los robots teleoperados. Los asistentes roboticos son capaces de realizar tareas especificas en el campo quirurgico de forma autonoma o bien a traves de ordenes sencillas comandadas por el cirujano a traves de una interfaz de control. Al contrario, en los robots teleoperados los movimientos del robot quirurgico o sistema esclavo se corresponden directamente con los movimientos realizados por el cirujano (normalmente las manos) o sistema maestro, para mejorar asi las habilidades y precision del cirujano con las herramientas laparoscopicas, de tal forma que el robot carece casi o completamente de capacidades de movimiento autonomas.

Los asistentes roboticos tienen la ventaja de que no necesitan intervencion humana directa salvo para comandar las ordenes deseadas por el cirujano, de manera que se comportan como un asistente humano al cirujano a efectos de la intervencion. El mayor inconveniente es que un asistente robotico suele estar programado para realizar tareas muy concretas, por lo que no puede utilizarse de forma generica durante una intervencion como un asistente humano. Por ejemplo, la patente espanola ES2298051B2 presenta un asistente robotico capaz de manejar la camara laparoscopica mediante ordenes de voz dadas por el cirujano, con otras caracteristicas como son la flexibilidad en el posicionamiento alrededor del paciente gracias a un sistema motriz de la estructura basado en ruedas y a la ausencia completa de cables ya que puede trabajar con baterias.

En cuanto al grupo de los robots teleoperados, como ya se ha comentado previamente, su finalidad consiste en mejorar las habilidades del cirujano. Para ello, se sustituye al cirujano principal en los alrededores del paciente por el robot quirurgico (sistema esclavo), de manera que la nueva ubicacion del cirujano consistira en una plataforma denominada consola (sistema maestro) desde la que dispondra de todas las herramientas necesarias para controlar el robot quirurgico y llevar a cabo la intervencion.

Desde la consola se pueden mejorar diversas habilidades del cirujano mediante el uso de dispositivos especificos. Desde el punto de vista de la vision, en la solicitud de patente estadounidense US20070276423A1 se propone el uso de un sistema de vision tridimensional mediante el uso de una optica estereoscopica, la cual transmite cada una de las imagenes al ojo correspondiente mediante espejos.

El movimiento de el/los brazo/s manipuladores que componen el robot quirurgico se controla por el cirujano a traves de unos dispositivos mecanicos especiales con sensores de posicionamiento denominados dispositivos hapticos o haptics, los cuales se ubican en la consola y suelen ser manejados a traves de las manos del cirujano. Como se especifica en la patente estadounidense US7025064B2, estos dispositivos hapticos permiten no solo el manejo del

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robot quirurgico, sino que tambien pueden mejorar la precision de los movimientos de las herramientas laparoscopicas mediante la aplicacion de factores de escala que reduzcan el desplazamiento de las herramientas laparoscopicas respecto al desplazamiento de las manos del cirujano. El uso de los dispositivos hapticos no es el unico medio por el que el cirujano puede dirigir el movimiento de herramientas laparoscopicas, por ejemplo en la solicitud de patente internacional WO2011125007A1 se propone el uso de un sistema de seguimiento ocular capaz de guiar la camara laparoscopica segun la direccion a la que se dirige la mirada del cirujano.

Los dispositivos hapticos pueden incluir tambien elementos servoactuadores para aplicar fuerzas de reaccion sobre el cirujano, de manera que este pueda percibir sensacion de contacto de las herramientas laparoscopicas que este manejando con el tejido interno del paciente. Para ello, el robot quirurgico debera disponer de al menos un dispositivo de medicion de fuerzas y/o pares por cada brazo manipulador con el que se puedan traducir las presiones de contacto entre las herramientas laparoscopicas y el tejido interno del paciente o instrumental quirurgico adicional. Por ejemplo, en la solicitud de patente estadounidense US2013012930A1 se propone enviar estas mediciones en forma de senal electrica a los servoactuadores acoplados en los dispositivos hapticos mediante un sistema de control de comunicaciones que debera cumplir una serie de requisitos especificos para garantizar la estabilidad de la interaccion entre el sistema esclavo (robot quirurgico) y el sistema maestro (consola), lo que se conoce como realimentacion de fuerzas hapticas. Esta realimentacion de las fuerzas de interaccion entre el robot quirurgico y el tejido interno del paciente no tiene por que ser unicamente de presion, sino que existen otras propuestas, como la de la solicitud de patente estadounidense US2014005682A1, que permiten la realimentacion de sensaciones tactiles, como la rugosidad de una superficie, mediante el uso de herramientas quirurgicas ultrasonicas.

Uno de los principales problemas de la realimentacion de las fuerzas hapticas en un robot quirurgico no considerado en US2013012930A1 ni en US2014005682A1 reside en que normalmente existen dos zonas de contacto entre la herramienta laparoscopica manejada por el robot quirurgico y el paciente: la zona abdominal sobre la que se realiza la incision (en adelante punto de fulcro) y la zona de tejido interno que el cirujano desea manipular. Por ello, para una correcta percepcion tactil del campo quirurgico se deberia separar la contribution de ambas interacciones de la medicion del dispositivo de medicion de fuerzas y/o pares.

El documento EP1915963A1 propone un metodo para la separation de las fuerzas aplicadas en el punto de fulcro y la interaccion del instrumental a partir de un unico sensor de fuerzas ubicado entre el efector final del brazo manipulador y el extremo proximal de la herramienta laparoscopica. Sin embargo, este metodo tiene como limitaciones que (1) la fuerza aplicada por la herramienta se asume realizada en el extremo distal (pinza) de la herramienta laparoscopica, y (2) el algoritmo de control de las fuerzas realimentadas debe cumplir unos requisitos tecnicos en las comunicaciones como son un elevado numero de muestras de datos enviadas por segundo y un retardo nulo entre el envio de las medidas del sensor de fuerzas y el dispositivo haptico.

La fuerza de contacto entre la herramienta laparoscopica y el punto de fulcro depende en gran medida del tipo de mecanismo que realiza los movimientos de orientation de la herramienta laparoscopica manejada por el robot quirurgico. Por ejemplo, en los ya citados documentos US7025064B2 y ES2298051B2 se utiliza un mecanismo de actuation pasivo que limita la fuerza ejercida por la herramienta quirurgica sobre la piel abdominal pero aumenta la incertidumbre en el posicionamiento debida al huelgo con el trocar. En la ya citada US20070276423A1 se utiliza un mecanismo denominado de centro de rotation remoto, que traslada de forma mecanica el centro de rotation de la herramienta quirurgica al punto de fulcro, con lo que el problema de este metodo se reduce a calibrar inicialmente la position del centro de rotacion remoto, de tal manera que si este cambia durante la intervention habra que volver a calibrarlo. En la solicitud de patente estadounidense US2015359597A1 se propone el uso de un segundo brazo manipulador para conocer la localization del punto de fulcro, de manera que este segundo manipulador sostiene a traves de su efector final la herramienta quirurgica en el punto de insertion de la herramienta laparoscopica en el paciente.

Resumiendo, el estado de la tecnica presenta las siguientes limitaciones: Por una parte, existen propuestas que permiten percibir al cirujano la interaccion de fuerzas entre las herramientas quirurgicas y el paciente, pero en ellas no se tiene en cuenta la superposition de las fuerzas ejercidas por la herramienta laparoscopica sobre el punto de insercion y las de manipulation del tejido interno del paciente. Por otra parte, las propuestas de control de movimientos de las herramientas laparoscopicas manejadas por un robot quirurgico dependen de mecanismos que, o bien producen cierto huelgo/imprecision en el posicionamiento de las herramientas quirurgicas, o bien requieren de recalibracion fuera de linea, tanto al comienzo de la intervencion como ante el desplazamiento del punto de fulcro debido a factores como un posible desplazamiento del paciente en la camilla. Por ultimo, las propuestas de robots quirurgicos presentadas solo permiten un tipo de correspondencia entre el desplazamiento de los dispositivos hapticos y de las herramientas laparoscopicas, de manera que la posicion del efector final del dispositivo haptico unicamente puede corresponderse con la posicion del extremo distal de la herramienta laparoscopica manejada por el robot quirurgico.

Descripcion de la invencion

En un primer aspecto de la invencion, se proporciona un metodo de control de un robot quirurgico operado de forma remota que supera los inconvenientes identificados en metodos de control de robots quirurgicos convencionales.

En particular, se controla al menos un brazo robotico, de forma que una herramienta quirurgica acoplada al brazo

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robotico se mueve u orienta correctamente dentro de la cavidad definida por la incision realizada en el paciente. Ademas, las fuerzas aplicadas por la herramienta quirurgica se realimentan a una unidad o consola de control, para proporcionar informacion sensorial al cirujano que esta remotamente manipulando la herramienta quirurgica, ayudando asi al cirujano a mover la herramienta como si estuviese realizando una manipulacion directa sobre el paciente.

De acuerdo con un aspecto de la invencion, se proporciona un metodo de manejo de un sistema robotico para cirugia minimamente invasiva, donde el sistema robotico comprende: una consola de control que comprende al menos un dispositivo accionador y un dispositivo haptico que a su vez comprende uno o mas sensores de posicionamiento y servoactuadores; y al menos una unidad robotica que comprende: un brazo manipulador, un efector dispuesto en el extremo distal de dicho brazo manipulador, estando dicho efector equipado con al menos un sensor de fuerzas y pares, al menos un actuador, y un instrumento minimamente invasivo acoplado a dicho efector, donde el extremo distal de dicho instrumento minimamente invasivo esta configurado para introducirse en una cavidad del cuerpo de un paciente a traves de un punto de fulcro. El metodo comprende las etapas de: planificar una posicion y orientacion del efector a partir de un desplazamiento relativo del dispositivo haptico, de unas coordenadas de referencia del efector, de unas coordenadas del efector segun un modelo de la unidad robotica y de una estimation de la posicion del fulcro; a partir de las coordenadas del efector segun el modelo de la unidad robotica y de la posicion y orientacion planificadas del efector, obtener unas posiciones y velocidades articulares necesarias para que cada grado de libertad de la unidad robotica movido por el actuador haga que, en conjunto, se alcance la siguiente posicion y orientacion planificadas del efector; mover el efector por medio del al menos un actuador de acuerdo con dichas posiciones y velocidades articulares; medir mediante el al menos un sensor de fuerzas y pares acoplado al efector unas fuerzas y pares ejercidos por el efector y por dicho instrumento minimamente invasivo acoplado al mismo, al realizar dicho movimiento; determinar en que porcentaje de contribution la medicion de fuerzas y pares es debida a la interaction con el punto de fulcro o a la interaction con el tejido interno del paciente; volver a estimar la posicion del fulcro, donde esa estimacion se realiza a partir de la contribucion debida a la interaccion con el punto de fulcro y de las coordenadas del efector segun el modelo de la unidad robotica; estimar la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal del instrumento minimamente invasivo y calcular una fuerza de reaction simulada; enviar esta fuerza de reaction simulada al al menos un servoactuador del dispositivo haptico para que le sea proporcionada a la mano del cirujano.

En una posible realization, las coordenadas del efector segun el modelo de la unidad robotica se obtienen a partir de una posicion articular del modelo.

En una posible realizacion, el desplazamiento relativo del dispositivo haptico se obtiene a partir de la diferencia entre una posicion y torsion absolutas del dispositivo haptico y una posicion y torsion de referencia. En una realizacion mas particular, a esa diferencia entre una posicion y torsion absolutas del dispositivo haptico y una posicion y torsion de referencia se le aplican factores de escalado de posicion Kp y torsion Kk establecidos por el cirujano para aumentar la precision del movimiento, y un factor de reduction Ks relacionado con la fuerza de reaccion simulada.

En una posible realizacion, para realizar la estimacion del fulcro, se estima la distancia exterior p a lo largo del eje del instrumento minimamente invasivo a la que se encuentra el punto de fulcro con respecto a la posicion del efector segun ese modelo de la unidad robotica.

En una posible realizacion, la estimacion de la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal del instrumento minimamente invasivo y calculo de una fuerza de reaccion simulada se realiza a partir de la contribucion debida a la interaccion con el tejido interno del paciente, de las coordenadas del efector segun el modelo de la unidad robotica y del desplazamiento del dispositivo haptico realizado por la mano del cirujano.

En una posible realizacion, el calculo de una fuerza de reaccion simulada se realiza a partir de la siguiente expresion:

|HSfh = - kfkt (|H1ph-{HpH )

donde {H}Fh representa la fuerza simulada, Kf es un factor de escalado, con Kf < 1, Kt es la rigidez dinamica, {H}Ph es la posicion haptica actual y {H}Ph0 es la ultima posicion haptica.

En una posible realizacion, el metodo comprende ademas: a partir de la posicion y orientacion del efector segun el modelo de la unidad robotica, de la posicion y orientacion planificadas y de la posicion y orientacion de otras unidades roboticas, si las hubiera, verificar que la posicion y orientacion planificadas para el efector final de la unidad robotica cumplen unos criterios de seguridad, y restringir dicha posicion y orientacion en caso de que no se cumplan dichos criterios.

En una posible realizacion, el metodo comprende ademas: a traves de una interfaz de la consola de control, seleccionar una modalidad de movimiento del instrumento minimamente invasivo: una primera modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo haptico con el desplazamiento del extremo distal del instrumento minimamente invasivo; o una segunda modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo haptico con el desplazamiento del efector del brazo manipulador, de manera que se simulan los movimientos de pivote de un instrumento minimamente invasivo manual a traves del dispositivo haptico.

En una posible realizacion, cualquiera de las etapas anteriores se lleva a cabo si dicho dispositivo accionador esta pulsado o accionado.

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En una realizacion preferente, el dispositivo accionador es un pedal.

De acuerdo con otro aspecto de la invention, se proporciona un producto de programa informatico que comprende instrucciones/codigo de programa informatico para realizar el metodo descrito anteriormente.

De acuerdo con un ultimo aspecto de la invencion, se proporciona un soporte /medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena codigo / instrucciones de programa para realizar el metodo descrito anteriormente.

El metodo se implementa en un sistema que permite la manipulation remota de herramientas laparoscopicas manipuladas por un robot quirurgico (sistema esclavo) a traves de una interfaz o consola (sistema maestro) manejada por un usuario humano. El sistema maestro incluye al menos una pantalla que permite visualizar en tiempo real el campo quirurgico en dos o tres dimensiones, un dispositivo accionador mediante el cual activar o desactivar el manejo de las herramientas laparoscopicas y dos dispositivos mecanicos servoactuados y sensorizados (haptics), que por un lado registran los movimientos realizados por las manos del usuario para desplazar y orientar sendos puntos de referencia determinados por cada haptic, y por otro lado permiten transmitir una fuerza sobre las manos del usuario a traves de los servoactuadores en las manos del usuario. El sistema esclavo puede estar integrado por uno o varios modulos, cada uno de los cuales comprende dispositivos servoactuados y sensorizados independientes (robots/brazos manipuladores), en cuyos extremos distales se acopla una herramienta laparoscopica y cuya funcion se basa en reproducir los movimientos registrados por su dispositivo haptico asociado para que dicha herramienta laparoscopica se desplace de forma sincronizada con la mano del usuario. El dispositivo haptico y el brazo manipulador pueden estar separados una cierta distancia entre si, y se pueden comunicar a traves de la transmision de senales electricas por cable de comunicaciones o via inalambrica.

La relation existente entre los movimientos de la mano del usuario (haptic) y los movimientos de la herramienta laparoscopica (brazo manipulador) puede establecerse de dos maneras, a election del usuario. La primera se basa en definir una traslacion/orientacion del dispositivo haptico como una traslacion/orientacion del extremo distal de la herramienta laparoscopica (por ejemplo, pinza), de tal manera que un desplazamiento cartesiano de la mano del usuario corresponde a un desplazamiento cartesiano del extremo distal de la herramienta laparoscopica. La segunda traduce la traslacion/orientacion del dispositivo haptico en una traslacion/orientacion equivalente del extremo proximal de la herramienta laparoscopica, esto es, la posicion/orientacion del extremo de la herramienta laparoscopica que se encuentra acoplado al manipulador. A su vez, el sistema permite un escalado de movimientos totalmente regulable, de manera que por ejemplo un desplazamiento de 1 cm en el dispositivo haptico se traduzca en un desplazamiento de 1 mm en el dispositivo manipulador (escala 1:10).

Los movimientos de pivote de la herramienta laparoscopica se realizan alrededor del fulcro, el cual introduce una ligadura (se pierden dos grados de libertad cartesianos en el movimiento) que impide el desplazamiento libre de la herramienta laparoscopica manejada por el manipulador. Por ello, el sistema de manipulacion dispone de un elemento que de forma transparente traduce geometricamente los movimientos comandados por el usuario en movimientos de pivote de la herramienta laparoscopica cuyo centro se encuentra en el fulcro.

Cada brazo manipulador de cada robot quirurgico dispone de un dispositivo de medicion de fuerzas y pares acoplado sobre su efector final que permite obtener una medicion de las fuerzas y pares de contacto entre la herramienta laparoscopica y el paciente, que pueden originarse en dos zonas bien diferenciadas: el fulcro y el extremo distal. Las fuerzas de contacto sobre el fulcro se denominan fuerzas de reaction y aparecen cuando los movimientos de pivote de la herramienta laparoscopica se realizan alrededor de un punto que no coincide con el fulcro, mientras que las fuerzas de contacto con el tejido interno del paciente sobre el extremo distal se denominan fuerzas de manipulacion y, aparecen cuando se produce una interaction entre este tejido y la herramienta laparoscopica. Ambas componentes de la fuerza de contacto pueden producirse simultaneamente pero el dispositivo de medicion de fuerzas y pares recopila la medicion de la suma total de las fuerzas de contacto, por lo que el sistema incorpora un algoritmo para el modelado de las fuerzas de contacto capaz de separar las contribuciones a la medicion de las fuerzas de reaccion y las fuerzas de manipulacion. Asi, con una magnitud baja en la medicion de fuerzas de contacto se considera que la interaccion relevante se produce en el fulcro, en cuyo caso no se transmite ninguna orden para actuar el dispositivo haptico y la medicion de fuerzas de contacto se emplea por completo en estimar la position del fulcro. Por el contrario, con una magnitud elevada en la medicion de fuerzas de contacto se interpreta que la interaccion relevante viene dada por la actuation del extremo distal de la herramienta laparoscopica sobre el paciente. En este caso la medicion de fuerzas de contacto se emplea en actuar el dispositivo haptico para simular la sensation sobre el usuario de presion de la herramienta laparoscopica, manteniendo la estimation del fulcro hasta que la herramienta quirurgica deje de ejercer estas fuerzas de contacto de elevada magnitud.

La contribution de las fuerzas de reaccion se utiliza para estimar de forma precisa la localization del fulcro durante el desplazamiento de la herramienta laparoscopica. Al ser el manipulador un dispositivo servoactuado sin mecanismos de pasivacion de fuerzas y realizar este desplazamientos alrededor del fulcro, una localizacion incorrecta de esta posicion puede dar lugar a lesiones en los alrededores de la incision a traves de la que se introduce la herramienta laparoscopica en el paciente. Por ello, la estimacion del fulcro se realiza a traves de un equilibrio de fuerzas y pares de reaccion. Esta estimacion es procesada por un elemento de control que se encarga de corregir el posicionamiento de la herramienta laparoscopica, de tal forma que esta se encuentre siempre alineada con el fulcro para que asi la fuerza ejercida sobre el paciente en dicho punto sea minima.

Durante una intervention quirurgica, la manipulacion del tejido interno del paciente realizada por la herramienta laparoscopica tambien puede medirse a traves de la contribucion de fuerzas y pares de manipulacion. Para que el

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usuario pueda tener sensaciones de presion similares a las que tendria si manipulara de forma directa la herramienta laparoscopica (sin mediacion del robot quirurgico), un algoritmo de estimacion de la rigidez de los tejidos internos del paciente procesa la contribution de las fuerzas de manipulation (sin tener en cuenta la contribution de las fuerzas de reaction sobre el punto de fulcro) para modelar una fuerza de contacto tal que permita al usuario percibir a traves del dispositivo haptico distintos grados de rigidez del tejido interno manipulado por las herramientas laparoscopicas. Estas mediciones se utilizan en los actuadores del dispositivo haptico de tal manera que lo desplazan en sentido opuesto al movimiento, creando una sensation de presion sobre la mano del usuario. Tanto este estimador de la rigidez como el estimado del fulcro se utilizan en el modelo de la unidad robotica con la finalidad de planificar el movimiento del brazo manipulador a priori, lo cual evita inestabilidades derivadas de la propia comunicacion inherentes a un sistema teleoperado.

Cada elemento que integra todo el sistema de teleoperacion remota de los robots quirurgicos a traves de la consola manejada por el cirujano, ya sean dispositivos fisicos o algoritmos de control, incluyen una capa adicional de supervision de funcionamiento cuya mision es en analizar que todos los elementos funcionan correctamente. Los errores pueden producirse a nivel local en un dispositivo o algoritmo de control, o bien pueden ser resultado de una mala interaction entre varios de los dispositivos o algoritmos de control. La capa de supervision considera todos los errores posibles que puedan alterar el normal funcionamiento del sistema de teleoperacion remota de los robots quirurgicos y les asigna un indice de riesgo, de manera que con un indice de riesgo bajo el supervisor modificara de manera conveniente el funcionamiento de el/los dispositivos y/o algoritmos de control involucrados en el error para poder continuar con la intervention, mientras que con un riesgo alto se producira la detention del sistema y extraction manual de los robots quirurgicos por parte de los asistentes humanos.

Otras ventajas y caracteristicas de la invention resultaran aparentes a la vista de la description que se presenta a continuacion.

Breve descripcion de las figuras

Para complementar la descripcion y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo de realization practica de la misma, se acompana como parte integrante de la descripcion, un juego de figuras en el que con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Figura 1 representa un esquema de un sistema robotico quirurgico adecuado para implementar el metodo de la invencion. Se representa una intervencion quirurgica mediante un sistema teleoperado en el que el robot quirurgico o elemento esclavo realiza las maniobras quirurgicas sobre el paciente, mientras que el cirujano envia los comandos de movimiento de forma remota al robot quirurgico a traves de la consola o elemento maestro.

La Figura 2 representa un diagrama de flujos que describe las relaciones entre los distintos elementos del sistema que controla el robot quirurgico desde la consola.

La Figura 3 esquematiza un brazo robotico y una herramienta quirurgica laparoscopica acoplada a su extremo distal y representa la metodologia propuesta para realizar la navegacion esferica de las herramientas laparoscopicas de acuerdo con una posible realizacion de la invencion.

La Figura 4 muestra la interaccion entre la herramienta laparoscopica acoplada al robot quirurgico y los dos puntos principales de contacto con el paciente: la piel y el tejido interno, de acuerdo con una posible realizacion de la invencion.

La Figura 5 muestra un diagrama de bloques que representa el algoritmo de control empleado para estimar la position del fulcro, de acuerdo con una posible realizacion de la invencion.

La Figura 6 muestra un diagrama de bloques que representa el algoritmo de control que se encarga de modelar la fuerza percibida por el robot quirurgico para reproducirla en el dispositivo haptico manejado por el cirujano, de acuerdo con una posible realizacion de la invencion.

Descripcion de un modo de realizacion de la invencion

La siguiente descripcion no debe considerarse de forma limitativa, sino que sirve al proposito de describir los principios de la invencion de forma amplia. las siguientes realizaciones se describen a modo de ejemplo, con referencia a las citadas figuras que muestran representaciones de algoritmos y metodos segun la invencion y aparatos y sistemas adecuados para implementar dichos algoritmos y metodos.

La Figura 1 muestra un esquema de un sistema robotico quirurgico que implementa el metodo de la invencion. La figura 1 representa una intervencion quirurgica mmimamente invasiva. Ejemplos de intervenciones en las que puede emplearse la cirugia mmimamente invasiva son intervenciones abdominales (colecistectomia, nefrectomia, prostatectomia...), intracraneales (resection tumoral...) o de traumatologia (artroscopia, ortopedias...), entre otras. En la figura 1 se ha representado una intervencion laparoscopica abdominal, en la que el cirujano 1 trabaja sobre

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una consola 4 desde la cual controla los movimientos del robot quirurgico 8. El robot quirurgico 8 es el que opera al paciente 2 postrado sobre la camilla de operaciones 3. La consola o interfaz 4, manejada por un usuario humano, actua como sistema maestro. El robot quirurgico 8 que manipula las herramientas quirurgicas 12 13 (en este caso, instrumentos minimamente invasivos) actua como sistema esclavo. El robot quirurgico 8 esta formado tres unidades roboticas 9. Cada una de ellas lleva un brazo robotico o brazo manipulador. El robot quirurgico 8 puede estar formado por mas o menos unidades roboticas 9. Cada unidad robotica tiene al menos 6 grados de libertad. El brazo manipulador se explica mas en detalle en relacion con las figuras 3 y 4. Una de las unidades roboticas esta configurada para llevar un endoscopio 12 con una camara laparoscopica 11 y la otra u otras unidades roboticas estan configuradas para llevar un instrumento minimamente invasivo (tal como una herramienta quirurgica laparoscopica) 13 propiamente dicho. El termino “herramienta quirurgica”, “herramienta laparoscopica” o “instrumento minimamente invasivo” se usan a lo largo de este texto de forma general, de modo que se refieren no solo a herramientas quirurgicas propiamente dichas, tales como bisturies o pinzas, sino tambien a cualquier equipamiento de apoyo a la operacion o de diagnostico, tales como endoscopios, camaras, etc. Cada brazo manipulador de cada unidad robotica dispone de un sensor (dispositivo de medicion de fuerzas y pares) 10 acoplado sobre su efector final que permite obtener una medicion de las fuerzas y pares de contacto entre la herramienta laparoscopica y el paciente 2. La unidad robotica 9 que lleva el endoscopio 12 (y camara 11) tambien lleva un sensor 10 como los mencionados, aunque no se ilustra en la figura 1. En uso del sistema quirurgico robotizado, cada unidad robotica 9 se dispone cerca de la camilla 3 y el personal de cirugia guia el extremo distal del brazo manipulador (de cada unidad robotica 9) hasta introducir la herramienta quirurgica 12 13 por un trocar que se ha insertado previamente a traves de la piel del paciente 2 a traves de una incision. Es decir, los instrumentos minimamente invasivos o herramientas quirurgicas 12 13 se introducen por la incision, por medio del trocar, hasta el interior del paciente. El brazo manipulador esta entonces listo para usarse en la operacion quirurgica.

El sistema maestro incluye, ademas de la consola de control 4, al menos una pantalla 6 que permite visualizar en tiempo real el campo quirurgico en dos o tres dimensiones gracias a las imagenes tomadas por la camara 11 del endoscopio 12. El sistema maestro incluye tambien un dispositivo accionador, no ilustrado en la figura 1, mediante el cual se puede activar o desactivar el manejo de las herramientas quirurgicas 12 13. En una posible realizacion, el dispositivo accionador se implementa mediante uno o mas pedales. El sistema maestro incluye tambien dos dispositivos mecanicos servoactuados y sensorizados (haptics) 5, que por un lado registran los movimientos realizados por las manos del usuario para desplazar y orientar sendos puntos de referencia determinados por cada haptic 5, y por otro lado permiten transmitir una fuerza sobre las manos del usuario a traves de los servoactuadores en las manos del usuario, para que el usuario pueda percibir el contacto de las herramientas laparoscopicas 13 con el paciente 2.

Cada unidad robotica 9 del sistema esclavo (robot quirurgico 8) comprende un brazo robotico (es decir, un dispositivo servoactuado y sensorizado) independiente (de otros brazos roboticos de otras unidades roboticas 9), en cuyo extremo distal se acopla una herramienta quirurgica 12 13. La funcion de esta herramienta es reproducir los movimientos registrados por un dispositivo haptico asociado 5 para que dicha herramienta 12 13 se desplace de forma sincronizada con la mano del usuario. El dispositivo haptico 5 y el brazo manipulador asociado al mismo pueden estar separados una cierta distancia entre si y se pueden comunicar a traves de la transmision de senales electricas por cable de comunicaciones o via inalambrica. Cada brazo manipulador de cada unidad quirurgica 9 dispone de un dispositivo (sensor) 10 de medicion de fuerzas y pares acoplado sobre su efector final (extremo distal del brazo manipulador) que permite obtener una medicion de las fuerzas y pares de contacto entre la herramienta quirurgica y el paciente, tal y como se describe en detalle mas adelante.

Es decir, el cirujano 1 puede ver el campo quirurgico a traves de la pantalla 6, que recibe la imagen de la camara laparoscopica 11. El cirujano puede mover con sus manos los dispositivos hapticos 5, desplazamiento que se registra y envia a las unidades roboticas 9. Tambien puede enviar comandos de voz grabados a traves de un microfono 7 para desplazar la unidad robotica 9 que sostiene la optica o endoscopio 12. El movimiento de las unidades roboticas 9 que sostienen las herramientas laparoscopicas 13 y/o el endoscopio 12 (herramientas quirurgicas en general) puede producir reacciones de fuerza en el paciente que se miden con los respectivos sensores de fuerza 10. El modo de movimiento de las unidades roboticas 9 puede ser seleccionado por el cirujano 1 de acuerdo con dos posibles modalidades: El modo “A” relaciona un desplazamiento de los dispositivos hapticos 5 con un desplazamiento del extremo distal de las herramientas quirurgicas laparoscopicas 12 13, mientras que el modo “B” relaciona un desplazamiento de los dispositivos hapticos 5 con un desplazamiento del extremo proximal de las herramientas laparoscopicas 12 13.

La Figura 2 muestra el diagrama de flujos que sigue un algoritmo de control (o conjunto de algoritmos de control) del sistema descrito en la Figura 1 para las comunicaciones entre uno de los dispositivos hapticos 5 y una de las unidades roboticas 9, que en la Figura 2 se referencia como 23, de acuerdo con una posible realizacion de la invention. Este conjunto de algoritmos de control se ejecuta en la unidad robotica, excepto la parte relativa al dispositivo haptico 15 y al actuador 17, que se ejecuta desde la consola o unidad de control 4 ilustrada en la figura 1. Concretamente, los algoritmos se ejecutan en medios de computation o informaticos que comprenden medios de procesado, tales como un microprocesador, unidad de procesado, o cualquier medio de procesado alternativo convencional, y medios de almacenamiento de memoria convencionales. La mano del cirujano 14 dirige el movimiento del dispositivo haptico 15, el cual es desplazado y orientado 31 alrededor del eje de la herramienta laparoscopica (instrumento minimamente invasivo) por la mano del cirujano 14. El dispositivo haptico 15 transmite 32 al dispositivo accionador 17 la position {H}Ph y torsion yh absolutas del dispositivo haptico 15, preferentemente mediante una senal filtrada con un filtro paso-bajo de Butterworth orden-1. La torsion es una de las tres componentes de la orientation del dispositivo haptico 15. El dispositivo accionador 17 se implementa

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preferentemente mediante un pedal o pedal de embrague configurado para ser accionado por el pie del cirujano 16. El pie del cirujano 16 pulsa o suelta el pedal de embrague 17, enviando la senal indicativa de presencia o ausencia de accionamiento 33 al dispositivo accionador 17.

Si el pedal 17 NO esta pulsado 34, por un lado se actualizan las referencias 18 (y se guardan en memoria) de la posicion absoluta {H}Ph del dispositivo haptico 15, la torsion absoluta yhP del dispositivo haptico 15 (recibidos mediante la senal 32) y la matriz homogenea {B}T{r}P del efector final 55 (ilustrado en las Figuras 3 y 4) del brazo manipulador de la unidad robotica para hacer que la diferencia 38 entre la posicion {H}Ph y torsion yh absolutas 32 y de referencia {H}PhP, Yh 35 del desplazamiento relativo del dispositivo haptico 15 sea 0, y por otro se envia una senal de pedal no pulsado a la unidad robotica 23 para que se establezca el modo de movimiento libre/manual, de manera que pueda manipularlo un asistente con las manos. Notese que la matriz homogenea es un termino matematico que describe una posicion y orientacion de un sistema de referencia euclideo referido a otro sistema de referencia base en una matriz de dimension 4x4, de manera que la submatriz superior izquierda de dimension 3x3 describe la orientacion respecto del sistema base, siendo cada vector columna uno de los ejes del sistema, mientras que el vector 3x1 de la derecha de la matriz corresponde con la posicion cartesiana respecto al sistema base.

Si el pedal Si esta pulsado 36 entonces se aplica las diferencias APh, Ayh entre la posicion y torsion absolutas {H}Ph, Yh 32 del dispositivo haptico 15 y la posicion y torsion de referencia {H}PhP, Yh guardadas en memoria 18 para obtener el desplazamiento relativo 38 del dispositivo haptico 15. A la diferencia APh se le aplican por un lado unos factores de escalado de posicion Kp y torsion Ky establecidos por el cirujano para aumentar la precision del movimiento, y por otro lado un factor de reduccion Ks cuya expresion es una funcion sigmoide que depende de la fuerza realimentada Fh 50 obtenida de un estimador de rigidez 30 que se detalla mas adelante. Estos factores de escalado de posicion y torsion y de reduccion se pueden aplicar tanto en un modelo de navegacion 19 como en la etapa anterior, en la que se aplican las diferencias entre la posicion y torsion absolutas del dispositivo haptico 15 y la posicion y torsion de referencia guardadas en memoria para obtener el desplazamiento relativo 38 del dispositivo haptico 15. Esta fuerza realimentada Fh 50 esta parametrizada por un valor a que indica el valor minirno de Ks, un valor w que indica para que fuerza realimentada Fh 50 se produce el valor maximo de Ks y un valor c que indica como de abrupta es la pendiente de subida/bajada de la Ks, cuya mision consiste en disminuir la velocidad en el movimiento de la herramienta quirurgica cuando esta entra en contacto con el tejido interno del paciente para asi mejorar la estabilidad del algoritmo de control de realimentacion de fuerzas de contacto con el tejido del paciente al cirujano:

K 1

s a + 1 + (I fh |-«)

aJh = ky Vh - yH )

APh = KSK„ (™Ph-|h|PhP )

[1]

La Figura 2 incluye tambien un modelo de navegacion 19 que comprende un algoritmo de planificacion de la siguiente posicion esferica del extremo distal de la herramienta quirurgica. Para la planificacion de la posicion esferica, el modelo de navegacion 19 recibe el desplazamiento relativo 38 del dispositivo haptico 15, ya escalado, la matriz homogenea {B}T{r}P 37 del efector final 55 del brazo robotico con la posicion y orientacion (torsion) cartesianas de referencia en el momento de pulsar el pedal 17, la matriz homogenea con la posicion y orientacion cartesianas 45 modelada del robot (modelo del robot 25) para calcular la siguiente posicion del extremo distal de la herramienta laparoscopica o instrumento minimamente invasivo, y la estimacion de la posicion del fulcro 48 proporcionada por un estimador de fulcro 29 para obtener la siguiente posicion planificada 39 del efector final 55 del brazo robotico. A lo largo de la description de la Figura 2, cuando se menciona el “modelo del robot 25” para ser precisos, nos referimos al “modelo de la unidad robotica 25”, pero en ocasiones, por simplicidad, se utiliza el termino “robot”.

Para explicar con mas detalle el modelo de navegacion 19, la Figura 3 representa el brazo robotico o brazo manipulador 52 de una unidad robotica 9 (23 en la Figura 2). En la Figura 3, el brazo manipulador 52 esta realizando movimientos esfericos alrededor del punto de fulcro 57 localizado sobre la piel del paciente 53. El punto de fulcro 57 es el punto de insertion en el paciente de la herramienta quirurgica. El punto de fulcro se encuentra localizado en la incision practicada en la piel del paciente. La Figura 3 ilustra el problema de la navegacion esferica resuelto por el modelo de navegacion 19. Se define un sistema de coordenadas {/} sobre el punto de fulcro 57. Los ejes del sistema de coordenadas {/} permanecen paralelos a los de un sistema de referencia {B} asociado a la base 54 de la unidad robotica 9. Se define tambien un sistema de referencia {R} asociado al efector final 55 del brazo manipulador 52 y un sistema de referencia {T} asociado al extremo distal de la herramienta laparoscopica 56, ambos con sus ejes de direction principales paralelos entre si. La localization del efector final 55 del brazo manipulador 52 respecto al punto de fulcro 57 se establece a traves de las coordenadas esfericas definidas como angulo de orientacion a 58, angulo de altitud $ 59, orientacion de torsion y 60 alrededor de su propio eje y distancia exterior p 61 o distancia a lo largo del instrumental que abarca desde el centro de rotation del efector final 55 hasta el punto de fulcro 57. Notese que los angulos a y $ pueden obtenerse con la lectura directa de los sensores internos del robot, lo que no ocurre con la distancia exterior p. Notese que los sensores internos del robot no son los sensores 10 situados en el efector final del brazo manipulador (vease Figura 1), sino que se trata de sensores ensamblados internamente en los

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actuadores del motor de cada unidad robotica, para realizar mediciones sobre su posicion, velocidad, etc. Estos sensores internos quedan fuera del alcance de la presente invencion.

La navegacion esferica se establece mediante el vector de componentes esfericas (or, ft, p, y), el cual se puede obtener a partir de la relacion entre la matriz homogenea {I}T{r} expresada en coordenadas cartesianas y esfericas, la cual define la posicion y orientacion cartesiana del efector final 55 del brazo manipulador 52 respecto al punto de fulcro 57. Esta matriz homogenea {I}T{r} puede calcularse a partir de su relacion con la matriz homogenea {B}T{r} del efector final 55 del brazo manipulador 52 respecto de la base 54 y con la matriz homogenea {B}T{i} del punto de fulcro 57 respecto de la base 54. La matriz homogenea {B}T{r} del efector final 55 del brazo manipulador 52 respecto de la base 54 se obtiene 45 mediante el algoritmo de cinematica directa 26 (que se explica mas adelante, ver Figura 2); la matriz homogenea {B}T{i} del punto de fulcro 57 respecto de la base 54 se obtiene 48 mediante el algoritmo de estimador del fulcro 29 (ver Figura 2):

1 li<l

imagen1

T

!Ri

'cos a cos/?

- sin a cos a sin/? p cos a sin/?' 'cos y - sin y o'

sin a cos/?

cos a sin a sin /? p sin a sin /? sin y cos y 0

- sin/?

0 cos/? p cos /? 0 0 1

0

0

0

1

0

0

0

Con este principio se puede calcular la matriz homogenea de la siguiente posicion {B}P'r y orientacion {B}z'{r} del eje de la herramienta laparoscopica 39 a partir de la posicion {B}PrP y orientacion {B}zrP del eje de referenda 37 del efector final 55 del brazo robotico, de la longitud de la herramienta laparoscopica L y del incremento de desplazamiento del dispositivo haptico APh 38 segun el modo de movimiento establecido para la herramienta laparoscopica. Asi, en el modo A, en el cual los desplazamientos del dispositivo haptico 15 se corresponden con desplazamientos del extremo distal de la herramienta laparoscopica, las relaciones geometricas son de tipo cartesiano, mientras que en el modo B, en el cual los desplazamientos del dispositivo haptico 15 se corresponden con desplazamientos esfericos (ap) del extremo proximal de la herramienta laparoscopica respecto de las posiciones esfericas de referenda (or , fip, pp), las relaciones geometricas son de tipo esferico:

+z«z^+aph

Mode A !B!z|R}=!B!PiP;

{B}-pf _{B}pf _ t {B} f

rR j:t AjRJ

, P A [3]

a = a + Axh

Modo B /?' = /?p + AyH

P = PP +

Es decir, en el modo B, se calcula el vector de coordenadas esfericas de la siguiente posicion y orientacion planificadas 40 (ver “supervisor cinematico 20” de la Figura 2).

En la Figura 2, el supervisor cinematico 20 representa un algoritmo que verifica, a partir de la posicion y orientacion actuales 45 del efector final del modelo del robot 25, de la posicion y orientacion planificadas 39 por el modelo de navegacion 19 y de la posicion y orientacion 41 de otras unidades roboticas 22, si las hubiera, que la posicion y orientacion planificadas 39 para el efector final 55 de la unidad robotica cumplan ciertos criterios de seguridad, manteniendo la herramienta laparoscopica dentro de una zona de trabajo valida. Algunos posibles criterios de seguridad son que el extremo distal de la herramienta quirurgica permanezea dentro del campo quirurgico visible, o bien que el extremo proximal de la herramienta quirurgica (efector final 55 de la unidad robotica 23) permanezea a una distancia minima de otras unidades roboticas, o bien que la herramienta quirurgica pueda realizar la navegacion esferica dentro de un subespacio tal que haya que cumplir unos limites fisicos como son el no introducir el efector final 55 de la unidad robotica 23 mas alia del punto de fulcro 48 estimado por el estimador de fulcro 29 de manera que la distancia exterior sea nula, o que el angulo esferico de altitud no supere los 90° puesto que el extremo distal de la herramienta quirurgica intentaria salir de la piel del paciente. En el caso de no cumplir alguno de estos criterios cinematicos el supervisor cinematico 20 limita la posicion y orientacion planificadas 39 del efector final 55 de la unidad robotica 23 (planificadas por el modelo de navegacion 19) para que no avancen fuera de la zona de trabajo.

En la Figura 2, la cinematica inversa 21 representa un algoritmo que recibe la posicion y orientacion actuales 45 del efector final del modelo del robot (obtenidas por el algoritmo de cinematica directa 26, que se explica mas adelante) y el vector de coordenadas esfericas de la siguiente posicion y orientacion planificadas 40 y restringida por el supervisor cinematico 20 del efector final de la unidad robotica 23, informacion que es convertida en las posiciones y velocidades articulares 42 necesarias para que cada grado de libertad de la unidad robotica 23 movido por un

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actuador localice la siguiente posicion y orientacion planificadas 40 del efector final de la unidad robotica 23.

Los actuadores de la unidad robotica 23 reciben las posiciones y velocidades articulares 42 procedentes del algoritmo de cinematica inversa 21. Las posiciones y velocidades articulares 42 son procesadas por un control en posicion y velocidad basado en ganancias para garantizar que se sigue la planificacion de la trayectoria cartesiana calculada por el modelo de navegacion 19. La planificacion de la trayectoria cartesiana reproducira la interaccion entre las herramientas laparoscopicas y el paciente 24 (interaccion deseada por el cirujano). Como salida de la unidad robotica 23, los sensores de posicionamiento y velocidad de la propia unidad robotica miden 43 los parametros de posicion y velocidad articulares.

El modelo del robot 25 representa un algoritmo que calcula la dinamica de los actuadores de la unidad robotica 23 mediante un modelo del comportamiento real de los actuadores, de manera que ante las mismas consignas de posicion y velocidad articulares 42 deseadas para cada actuador, obtenidas de la cinematica inversa 21, las posiciones y velocidades articulares 43 de la unidad robotica 23 evolucionan de manera similar a las posiciones y velocidades articulares 44 en el modelo del robot 25. La funcion del modelo del robot 25 es reducir las inestabilidades producidas por las diferencias entre la frecuencia de muestreo a la que se actualizan las senales de estado de la posicion y velocidad articulares 43 de la unidad robotica 23 en el sistema esclavo y la frecuencia de muestreo a la que se actualiza tanto la senal de estado de la posicion del dispositivo haptico 15 como la actualizacion del estado 50 de los actuadores del dispositivo haptico 15, proporcionado por el estimador de rigidez 30. Para minimizar el error entre las posiciones y velocidades articulares 43 reales y las posiciones y velocidades articulares 44 modeladas, el modelo del robot 25 recibe la posicion y velocidad articular 43 de la unidad robotica 23 para actualizar sus variables de estado internas a cada tiempo de muestreo establecido por las senales enviadas por la unidad robotica 23.

La cinematica directa 26 representa un algoritmo que transforma la posicion articular 44 del modelo del robot 25 en coordenadas cartesianas 45, las cuales son utilizadas por el modelo de navegacion 19 para conocer la posicion cartesiana de referencia de la unidad robotica 23 a partir de la cual calcula la posicion y orientacion planificadas 39 (por ejemplo la trayectoria de navegacion esferica).

El sensor de fuerzas 27 se mueve de forma solidaria al efector final de la unidad robotica 23, por lo que su posicion y orientacion vienen determinadas por el estado articular 43 del mismo. El sensor de fuerzas 27 incluye algoritmos para compensar tanto los pares gravitatorios como las inercias ejercidos por los actuadores y sensores integrados en el dispositivo de acople de la herramienta laparoscopica y la propia herramienta laparoscopica. La medicion de las fuerzas y pares compensada en el sensor de fuerzas 27 es convertida en forma de senal electrica y filtrada, preferentemente mediante un filtro paso-bajo de Butterworth orden 1 (obteniendose una senal filtrada {R}F) para poder enviarse 46 a la consola 4 a traves del canal de comunicaciones entre la unidad robotica 23 y la consola 4.

El modelo de interaccion 28 representa un algoritmo que determina en que porcentaje de contribucion la medicion de las fuerzas compensadas {R}F 46 es debida a la interaccion con el fulcro {R}Fi 47 o con el tejido interno del paciente {R}Ft 49 mediante los parametros de contribucion Ai, Aj respectivamente. Esta diferenciacion se hace basandose en la magnitud de la medicion de fuerzas compensada 46 con una funcion sigmoide parametrizada para cada contribucion siguiendo los siguientes criterios cualitativos:

Si la medicion de las fuerzas compensadas {R}F 46 es baja, entonces casi toda la fuerza es debida a la interaccion con el fulcro, de manera que 47 = 46 y 49 = 0.

Si la medicion de las fuerzas compensadas {R}F 46 es alta, entonces casi toda la fuerza es debida a la interaccion con el tejido interno del paciente, de manera que 47 = 0 y 49 = 46.

En una realizacion preferente, los parametros de contribucion se calculan a partir de la siguiente expresion:

K =

1

^ i + ec (F -1I—m) K = ------^—r — K

1 + e

c(l—F—m) I

{R}Fi

{R}Ft

= K {R}f = k. {R}f

[4]

El parametro Ai se resta a Aj para anular el efecto de la medicion de fuerzas compensada {R}F 46 en la fuerza de interaccion con el tejido interno del paciente 49 cuando la medicion de fuerzas compensada {R}F 27 reporta valores bajos. El parametro Ai adopta valores casi nulos cuando la medicion de fuerzas compensada {R}F 46 es alta. El parametro w indica donde se produce el maximo de la sigmoide, mientras que c sirve para aumentar o disminuir la pendiente de subida/bajada de la sigmoide.

El estimador del fulcro 29 representa un algoritmo que se encarga, por un lado, de estimar la distancia exterior p a lo largo del eje de la herramienta laparoscopica a la que se encuentra el punto de fulcro de la posicion cartesiana 45 (modelada por la cinematica directa 26) del efector final de la unidad robotica 23. Esta distancia exterior se calcula mediante la aplicacion de las ecuaciones de equilibrio de fuerzas y pares de la senal con la medicion de las fuerzas y pares compensada debida a la interaccion con el fulcro 47. A esta estimacion de la distancia exterior se le suma un desplazamiento cartesiano del fulcro en direccion perpendicular al eje de la herramienta laparoscopica obtenido a

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partir de un algoritmo de control de fuerzas basado en impedancias el cual utiliza como referenda de realimentacion la medicion de las fuerzas y pares compensada debida a la interaction con el fulcro 47, obteniendo como resultado la position cartesiana estimada del fulcro 48. La figura 5 detalla el algoritmo de control empleado para estimar la position del fulcro 48.

El metodo propuesto para obtener la estimation del punto de fulcro 48 depende del tipo de mecanismo de orientation de la herramienta laparoscopica instalado en el efector final de la unidad robotica. En una realization preferente, este mecanismo de orientacion de la herramienta laparoscopica (o instrumento minimamente invasivo) se realiza mediante actuation directa, y se comenta con mas detalle siguiendo la ilustracion de la Figura 4. Si la localization real del punto de fulcro {R}Pi 57 (ver Figuras 3 y 4) es diferente de la estimada, el error en el posicionamiento {R}AI del fulcro genera una fuerza abdominal {R}Fi 63 no deseada sobre la pared abdominal 53. La fuerza abdominal {R}Fi 63 puede medirse con el sensor de fuerzas acoplado en el efector final 55 del robot. Si la magnitud escalar de la fuerza Fi y par Mi de interaccion con el fulcro 63 es practicamente nula entonces el fulcro estimado coincide con el real y no hay que actualizar la estimacion del punto de fulcro 57. En caso contrario, la distancia exterior p puede calcularse mediante la siguiente expresion obtenida a partir del equilibrio de pares:

P =

Mj

F

[5]

Por otro lado, para la interaccion entre la herramienta laparoscopica 56 y la pared abdominal 53 se asume un comportamiento elastico lineal mediante la ganancia Ki , el cual relaciona el vector de fuerza {R}Fi de interaccion con el fulcro 63 con la elongation {R}AI producida sobre esta superficie:

{R}Fj = K{R} AI

[6]

La ganancia K se obtiene de forma general a partir de ensayos experimentales en los que se mide la fuerza de interaccion con el fulcro Fi 63 para desplazamientos AI conocidos. A este resultado se le aplica una ganancia Ci < 1 cuyo valor se escoge para satisfacer los criterios de respuesta rapida para un lazo de realimentacion y garantizar la estabilidad del algoritmo de control. De este modo, la estimacion de la posicion del punto de fulcro {R'Pi 57 viene dada por la suma de la elongacion de la pared abdominal registrada por la medicion de la fuerza de interaccion con el fulcro 63 y la estimacion de la distancia exterior al fulcro obtenida por equilibrio de pares y que se encuentra en la direction del eje {R}z del efector final 55 del brazo manipulador 52:

{R}P _ *I _

CI {R}

K

FI + ^{R}z

[7]

La Figura 5 muestra el algoritmo de control empleado para estimar la posicion del fulcro 48 segun el procedimiento expuesto anteriormente. La distancia exterior p 67 se calcula a partir de la expresion [5]. Es decir, la distancia exterior p 67 se calcula a partir de la orientacion cartesiana actual {R}z 45 procedente de la cinematica directa 26 y de la contribution de las fuerzas {R}Fi y pares {R}Mi de interaccion con la pared abdominal 47 procedentes del modelo de interaccion 28. Esta contribucion de las fuerzas {R}Fi y pares {R}Mi de interaccion con la pared abdominal 47 se realimenta restandose a una fuerza de referencia {R}Fo deseada 68 para la interaccion con la pared abdominal. El resultado 69 de esta resta se pondera con la ganancia de control Ci 65, y el resultado de esta ponderacion 70 se convierte de una magnitud en fuerzas a una magnitud en distancias con el factor de conversion Ki 66. El resultado de esa conversion 71 se suma con el vector de estimacion de la distancia exterior p{R}z 72 para obtener finalmente la posicion cartesiana {R}Pi del punto de fulcro 48 y enviarlo al modelo de navegacion 19 para planificar la navegacion esferica.

En la Figura 2, el estimador de rigidez 30 representa un algoritmo que se encarga de estimar de forma dinamica la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal de la herramienta mediante la medicion de fuerzas y pares compensada debida a la interaccion con el tejido interno del paciente 49 (obtenido por el modelo de interaccion 28), de manera que la relation entre la fuerza y el desplazamiento de interaccion con el tejido interno del paciente se puede modelar con un sistema lineal. Esta estimacion de la rigidez del tejido interno del paciente forma parte de un algoritmo de estimacion por minimos cuadrados, cuya mision es estabilizar el valor de la rigidez del tejido interno con un retardo lo mas pequeno posible, con el cual se puede diferenciar la perception de contacto de las manos del cirujano 14 a traves de los dispositivos hapticos 15, entre objetos solidos y blandos. Con esta estimacion de la rigidez se calcula una fuerza de reaction simulada 50, proporcional al desplazamiento 51 del dispositivo haptico 15 realizado por la mano del cirujano 14 tomando como referencia la posicion del dispositivo haptico 15 en la que se detecto por primera vez una medicion de fuerzas y pares 49 debida a la interaccion con el tejido interno del paciente 49. Esa fuerza de reaccion simulada 50 es escalada para percibir el contacto en las manos del cirujano como una reaccion natural, y posteriormente enviada a los actuadores del dispositivo haptico 15.

El algoritmo de control del estimador de rigidez 30 de la Figura 2 se detalla en la Figura 6 y se encarga de modelar la

fuerza percibida por la unidad robotica como una fuerza simulada {H}Fh 50 que actua en sentido contrario al movimiento del dispositivo haptico 15. Esta fuerza se Simula mediante un modelo de la reaccion de fuerzas 73 elastico-lineal con rigidez dinamica Kt, cuyo punto de equilibrio parte de la ultima posicion haptica {H}Ph0 y cuya posicion haptica actual es {H}Ph 32. Una vez modelada la fuerza 75 por el modelo de reaccion de fuerzas 73, se 5 aplica un factor de escalado Kf < 1 74 para mejorar la estabilidad del sistema. La siguiente expresion representa la fuerza simulada obtenida 50:

wF =

ah

kfkt (|HSPh -|H,PH)

[8]

La rigidez dinamica Kt es un parametro variable que permite percibir distintas resistencias en el haptic 15 en funcion del material en contacto con la herramienta laparoscopica. Por este motivo es necesario determinar esta magnitud 10 en funcion de mediciones de fuerzas {R}Ft de interaction con el tejido interno 49 obtenidas del entorno real de la unidad robotica 23 a traves del modelo de interaccion 28. Y tambien por ese motivo es necesario determinar la rigidez dinamica Kt en funcion de la posicion actual del extremo distal de la herramienta {R}Pt 45 (notese que a partir de la matriz homogenea que describe la posicion y orientation del robot pueden extraerse tanto el vector de la orientation cartesiana actual {R}z como la posicion actual del extremo distal de la herramienta {R}Pt) obtenida de la 15 cinematica directa 26 del robot quirurgico y de la posicion distal del extremo de la herramienta en el momento del contacto {R}Pt0:

K =

Ft Ft

{R}Pt-{R}p0 AP

[9]

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Al ser este resultado instantaneo y altamente variable sobre todo en las inmediaciones del punto de contacto por la amplification del ruido de la senal que registra las pequenas deformaciones APt, se aplica un algoritmo de estimation por minimos cuadrados recurrente. Con este metodo se puede obtener un valor de Kt estable tras unos pocos ciclos de muestreo. El algoritmo de minimos cuadrados recurrente consta de los siguientes pasos:

Inicio del metodo (iteration N=0):

Ke (0) = 0

[10]

C (0) = <p

[11]

Donde y debe ser un numero suficientemente grande (cuanto mayor sea mas rapido varia Kt respecto a cada iteracion), y C es un parametro del algoritmo que evoluciona con las iteraciones.

En la iteracion N-esima calcular la nueva estimacion de Kt segun:

Kt (N +1) = Kt (N) + (Ft - APt (N) Kt (N)) APt (N) C(NN

1 + APt 2( N )C (N)

Actualizar C:

C( N +1)

C( N)

1 + APt 2( N )C( N)

[12]

[13]

Volver al paso 2.

En suma, el metodo de la invencion supera las principales limitaciones detectadas en el estado de la tecnica tal y como se ha explicado:

Con respecto a metodos de control convencionales, que permiten al cirujano percibir la interaccion de fuerzas entre las herramientas quirurgicas y el paciente, pero en ellas no se tiene en cuenta la superposicion de las fuerzas ejercidas por la herramienta laparoscopica sobre el punto de insercion y las de manipulacion del tejido interno del

35 paciente: El metodo descrito tiene en cuenta, en esa medicion de fuerzas y pares entre las herramientas quirurgicas y el paciente, que porcentaje de la medicion es debido a la interaccion con el punto de fulcro y que porcentaje de la medicion es debido a la interaccion con el tejido interno del paciente. Las fuerzas de contacto sobre el fulcro (fuerzas de reaccion) aparecen cuando los movimientos de pivote de la herramienta laparoscopica se realizan alrededor de un punto que no coincide con el fulcro, es decir, cuando se produce una estimacion erronea del punto de insercion.

40 Las fuerzas de contacto sobre el extremo distal (fuerzas de manipulacion) aparecen cuando se produce una interaccion entre la herramienta laparoscopica y el tejido interno del paciente. Ambas componentes de la fuerza de

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40

contacto pueden producirse simultaneamente pero el dispositivo de medicion de fuerzas y pares recopila la medicion de la suma total de las fuerzas de contacto. El metodo modela las fuerzas de contacto y es capaz de separar las contribuciones a la medicion de las fuerzas de reaccion y las fuerzas de manipulacion. Cada brazo manipulador dispone de un sistema de control de fuerzas que utiliza, por un lado, la fuerza de manipulacion para obtener una estimation de la rigidez del tejido interno del paciente con la que modelar una fuerza de contacto con un tejido duro o blando que posteriormente se realimenta a la interfaz haptica, y por otro lado, la fuerza de reaccion para obtener una mejor estimacion de la position del punto de insertion con la que minimizar la magnitud de dicha fuerza mediante la planificacion de trayectorias de la herramienta laparoscopica alrededor del punto de insercion real.

En cuanto a las propuestas de control de movimientos de las herramientas laparoscopicas manejadas por un robot quirurgico que dependen de mecanismos que, o bien producen cierto huelgo/imprecision en el posicionamiento de las herramientas quirurgicas, o bien requieren de recalibracion fuera de linea, tanto al comienzo de la intervention como ante el desplazamiento del punto de fulcro debido a factores como un posible desplazamiento del paciente en la camilla: El metodo descrito estima la posicion del punto de fulcro con la ecuacion [7]. Con esta estimacion del fulcro se aplica un algoritmo de control (Figura 5) que desplaza la herramienta laparoscopica del robot para que se encuentre alineada a lo largo del fulcro, de manera que minimice la fuerza ejercida sobre la pared abdominal del paciente. Ademas, esta estimacion de la posicion del fulcro se emplea para realizar la navegacion esferica y que los nuevos movimientos de la herramienta laparoscopica se realicen alrededor de este punto.

Por ultimo, con respecto a los robots quirurgicos convencionales que solo permiten un tipo de correspondencia entre el desplazamiento de los dispositivos hapticos y de las herramientas laparoscopicas, de manera que la posicion del efector final del dispositivo haptico unicamente puede corresponderse con la posicion del extremo distal de la herramienta laparoscopica manejada por el robot quirurgico: El metodo descrito permite seleccionar, a traves de una interfaz de la consola de control (por ejemplo a traves de una pantalla tactil, una modalidad de movimiento del instrumento minimamente invasivo: una primera modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo haptico con el desplazamiento del extremo distal del instrumento minimamente invasivo; o una segunda modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo haptico con el desplazamiento del efector del brazo manipulador (es decir con el extremo proximal del instrumento minimamente invasivo), de manera que se simulan los movimientos de pivote de un instrumento minimamente invasivo manual a traves del dispositivo haptico.

En este texto, la palabra “comprende” y sus variantes (como “comprendiendo”, etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc. en el contexto de la presente invention, el termino "aproximadamente" y los terminos de su familia (tales como "aproximado", etc.) deberian entenderse como valores indicativos muy proximos a los que acompanan al termino anteriormente mencionado. Es decir, se deberia aceptar una desviacion dentro de los Kmites aceptables a partir de un valor exacto, ya que la persona experta en la tecnica comprendera que dicha desviacion a partir de los valores indicados resulta inevitable debido a las imprecisiones de la medicion, etc. lo mismo resulta aplicable a los terminos "alrededor" y "sustancialmente".

Por otra parte, la invencion no esta limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca tambien, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la election de materiales, dimensiones, componentes, configuration, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.

Claims (13)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo de manejo de un sistema robotico para cirugia mmimamente invasiva, donde el sistema robotico comprende:

   una consola de control (4) que comprende al menos un dispositivo accionador (17) y un dispositivo haptico (5, 15) que a su vez comprende uno o mas sensores de posicionamiento y servoactuadores,

   y al menos una unidad robotica (9, 23) que comprende:

   un brazo manipulador (52),

   un efector (55) dispuesto en el extremo distal de dicho brazo manipulador (52), estando dicho efector (55) equipado con al menos un sensor de fuerzas y pares (10, 27),

   al menos un actuador,

   y un instrumento mmimamente invasivo (12, 13, 56) acoplado a dicho efector (55), donde el extremo distal de dicho instrumento mmimamente invasivo (12, 13, 56) esta configurado para introducirse en una cavidad del cuerpo de un paciente a traves de un punto de fulcro (57),

   estando dicho metodo caracterizado por:

   planificar a traves de la consola de control (4) una posicion y orientacion (39) de dicho efector (55) a partir de un desplazamiento relativo (38) de dicho dispositivo haptico (15), de unas coordenadas de referencia (37) de dicho efector (55), de unas coordenadas (45) del efector (55) segun un modelo (25) de la unidad robotica (23) y de una estimation (48) de la posicion del fulcro; dicha consola de control (4) recibiendo las posiciones y orientaciones tanto en coordenadas esfericas para mover el instrumento mmimamente invasivo (12, 13, 56) conforme al desplazamiento del dispositivo haptico (5, 15), como en coordenadas cartesianas para desplazar el extremo distal de dicho instrumento mmimamente invasivo (12, 13, 56) igualmente conforme al desplazamiento de dicho dispositivo haptico (5, 15);

   a partir de dichas coordenadas (45) del efector (55) segun dicho modelo (25) de la unidad robotica (23) y de la posicion y orientacion planificadas (39) del efector (55), obtener unas posiciones y velocidades articulares (42) necesarias para que cada grado de libertad de la unidad robotica (23) movido por dicho actuador haga que, en conjunto, se alcance la siguiente posicion y orientacion planificadas (39) del efector (55);

   mover el efector (55) por medio de dicho al menos un actuador de acuerdo con dichas posiciones y velocidades articulares (42);

   medir (46) mediante dicho al menos un sensor de fuerzas y pares (10, 27) acoplado a dicho efector (55) unas fuerzas y pares ejercidos por dicho efector (55) y por dicho instrumento mmimamente invasivo (13, 56) acoplado al mismo, al realizar dicho movimiento;

   determinar (28) en que porcentaje de contribution dicha medicion (46) de fuerzas y pares es debida a la interaction con el punto de fulcro (47) o a la interaccion con el tejido interno del paciente (49);

   en relation a la contribucion de la interaccion con el punto de fulcro (47) sobre dicha medicion (46) de fuerzas y pares, volver a estimar (48) la posicion del fulcro, donde dicha estimacion (48) se realiza a partir de la contribucion debida a dicha interaccion con el punto de fulcro (47) y de dichas coordenadas (45) del efector (55) segun dicho modelo (25) de la unidad robotica (23);

   en relacion a la contribucion de la interaccion con el tejido interno del paciente (49) sobre dicha medicion (46) de fuerzas y pares, estimar (50) la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal del instrumento mmimamente invasivo (13, 56) y calcular una fuerza de reaction simulada (50);

   enviar esta fuerza de reaccion simulada (50) al al menos un servoactuador del dispositivo haptico (15) para que le sea proporcionada a la mano del cirujano (14).
2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que dichas coordenadas (45) del efector (55) segun dicho modelo (25) de la unidad robotica (23) se obtienen a partir de una posicion articular (44) de dicho modelo (25).
3. 3. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho desplazamiento relativo (38) de dicho dispositivo haptico (15) se obtiene a partir de la diferencia entre una posicion y torsion absolutas (32) del dispositivo haptico (15) y una posicion y torsion de referencia (18).
4. 4. El metodo de la reivindicacion 3, en el que a dicha diferencia entre una posicion y torsion absolutas (32) del dispositivo haptico (15) y una posicion y torsion de referencia (18) se le aplican factores de escalado de posicion Kp y torsion Kk establecidos por el cirujano para aumentar la precision del movimiento, y un factor de reduction Ks relacionado con dicha fuerza de reaccion simulada (50).
5. 5. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que para realizar dicha estimacion del fulcro (48), se estima la distancia exterior p a lo largo del eje de dicho instrumento mmimamente invasivo (13, 56) a la que se encuentra el punto de fulcro con respecto a la posicion (45) del efector (55) segun dicho modelo (25) de la unidad robotica (23).

   5

   10

   15

   20

   25

   30
6. 6. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha estimacion (50) de la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal del instrumento mmimamente invasivo (13, 56) y calculo de una fuerza de reaccion simulada (50) se realiza a partir de la contribucion debida a la interaccion con el tejido interno del paciente (49), de dichas coordenadas (45) del efector (55) segun dicho modelo (25) de la unidad robotica (23) y del desplazamiento (51) del dispositivo haptico (15) realizado por la mano del cirujano (14).
7. 7. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho calculo de una fuerza de reaccion simulada (50) se realiza a partir de la siguiente expresion:

   |h,Fh = - kfkt (|HSph -|H1pH )

   donde {H}Fh representa la fuerza simulada (50), Kf es un factor de escalado, con Kf < 1, Kt es la rigidez dinamica,

   fH! ih} 0

   1 'Ph es la posicion haptica actual (32) y 1 'Ph es la ultima posicion haptica.
8. 8. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas: a partir de la posicion y orientacion (45) del efector (55) segun dicho modelo (25) de la unidad robotica (25), de la posicion y orientacion planificadas (39) y de la posicion y orientacion (41) de otras unidades roboticas (22), si las hubiera, verificar que la posicion y orientacion planificadas para el efector final (55) de la unidad robotica (9, 23) cumplen unos criterios de seguridad, y restringir (40) dicha posicion y orientacion en caso de que no se cumplan dichos criterios.
9. 9. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas:

   a traves de una interfaz de la consola de control (4), seleccionar una modalidad de movimiento del instrumento mmimamente invasivo (13, 56): una primera modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo haptico (15) con el desplazamiento del extremo distal del instrumento mmimamente invasivo (13, 56); o una segunda modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo haptico (15) con el desplazamiento del efector (55) del brazo manipulador, de manera que se simulan los movimientos de pivote de un instrumento mmimamente invasivo (13, 56) manual a traves del dispositivo haptico (15).
10. 10. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cualquiera de las las etapas anteriores se lleva a cabo si dicho dispositivo accionador (16) esta pulsado o accionado.
11. 11. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dispositivo accionador (16) es un pedal.
12. 12. Un producto de programa informatico que comprende instrucciones/codigo de programa informatico para realizar el metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
13. 13. Un soporte /medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena codigo / instrucciones de programa para realizar el metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.