ES2907252T3 - Sistema para realizar procedimientos quirúrgicos y de intervención automatizados - Google Patents

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Axel Krieger
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Azad Shademan
Simon Leonard
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Abstract

Un sistema para realizar un procedimiento quirúrgico automatizado, que comprende: un sensor (203, 205) que proporciona información con relación a un campo quirúrgico (202); una interfaz del usuario configurada para recibir comandos emitidos por un cirujano (200, 300, 400); un dispositivo de retroalimentación (209, 309, 212, 312) configurado para transmitir información al cirujano (200, 300); una herramienta quirúrgica (211) que tiene una porción del extremo usada para realizar una tarea quirúrgica; un robot quirúrgico (201, 301, 701) que se acopla a la herramienta quirúrgica (211) y que posiciona y orienta la herramienta quirúrgica (211); al menos un marcador fluorescente de infrarrojo cercano configurado para desplegarse en al menos uno de un tejido objetivo, tejidos circundantes y la porción del extremo de la herramienta quirúrgica; un módulo de procesamiento de seguimiento (207, 707) implementado por hardware de procesamiento (1299) y configurado para: recibir datos del sensor desde el sensor (203, 205), los datos del sensor recibidos que incluyen datos relacionados con al menos un marcador fluorescente de infrarrojo cercano desplegado en al menos uno de un tejido objetivo, tejidos circundantes y la porción del extremo de la herramienta quirúrgica, identificar posiciones en al menos dos del tejido objetivo, los tejidos circundantes y la porción del extremo de la herramienta quirúrgica en base a los datos del sensor; y, generar información de seguimiento mediante el seguimiento de las posiciones identificadas en los respectivos al menos dos del tejido objetivo, los tejidos circundantes y la porción del extremo de la herramienta quirúrgica, el seguimiento que incluye identificar una ubicación de las posiciones identificadas con respecto a una posición de referencia a lo largo del tiempo, incluso cuando las posiciones identificadas se mueven con respecto a la posición de referencia; y un módulo de control implementado por el hardware de procesamiento (1299) y configurado para procesar la información del campo quirúrgico recibida del sensor, la información de seguimiento recibida del módulo de procesamiento de seguimiento (207, 707) y los comandos recibidos de la interfaz del usuario mediante el uso de un programa de automatización (208, 408), para generar comandos para el robot quirúrgico (201, 301) en base al procesamiento, y para enviar los comandos al robot quirúrgico (201, 301, 701).

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema para realizar procedimientos quirúrgicos y de intervención automatizados
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
Esta invención se refiere al campo de la cirugía robótica, específicamente, la automatización total o parcial de tareas quirúrgicas.
Descripción de la Técnica Relacionada
Lo que está disponible en el mercado como la llamada "cirugía robótica" es típicamente cirugía asistida por robot porque el cirujano y el robot interactúan a través de un paradigma maestro-esclavo. El robot esclavo se limita a seguir comandos directos del maestro cirujano con poca autonomía. Si bien este método es confiable, limita la velocidad y destreza del robot esclavo a la del cirujano.
Si el procedimiento se automatiza parcialmente, el robot puede programarse para usar datos recopilados de cirujanos más experimentados, incorporar medidas de seguridad adicionales o incluso optimizar el procedimiento para trabajar más allá de los límites humanos, lo que mejora la eficiencia, la confiabilidad y, potencialmente, el resultado quirúrgico.
Ninguno de los sistemas quirúrgicos invasivos actualmente disponibles utiliza una verdadera automatización durante el procedimiento. El sistema quirúrgico mínimamente invasivo da Vinci de Intuitive Surgical, Inc. (Sunnyvale, CA) utiliza un sistema de control maestro-esclavo, con una automatización mínima. Robodoc, usado para cirugías ortopédicas, se basa en la entrada del cirujano y en la planificación para fresar el hueso. Sin embargo, hay una investigación en curso en cada etapa involucrada en cerrar el lazo de control para los robots quirúrgicos, como se detalla en la revisión de la literatura por Moustris y otros.
En el análisis y de datos clínicos para la generación de rutinas automatizadas, el proyecto Lenguaje de Cirugía de la Universidad Johns Hopkins ha deconstruido y creado modelos de movimientos quirúrgicos, y ha mostrado la capacidad de generar movimientos quirúrgicos, aunque se trabaja para adaptar una tarea a una escena quirúrgica. Bauernschmitt y otros desarrolló un sistema que podía reproducir el atado de nudos en robots, pero esto era solo una imitación de movimientos pregrabados, y no es una verdadera automatización.
En el diseño de un sistema de control para la automatización de la cirugía, varios grupos han logrado producir reconstrucciones en 3D de la escena quirúrgica mediante el uso de ultrasonidos, y se desarrolla la conexión servo visual con ultrasonidos en 3D. La cocleostomía robótica mínimamente invasiva se probó por Majdani y otros en cadáveres, mediante el uso de imágenes de CT preoperatorias para calcular la trayectoria de perforación y mediante el uso de marcadores visuales con retroalimentación de imágenes para guiar el robot. Sin embargo, ningún enfoque combina ambas imágenes de luz visible con otras modalidades para controlar el robot.
Hay una serie de solicitudes de patentes que describen la automatización. "Surgical Guidance Utilizing Tissue Feedback" describe un sistema que lleva a cabo tareas preprogramadas (por ejemplo, movimiento de trayectoria) mientras compara la retroalimentación de tejido esperada con la retroalimentación de tejido vivo para ayudar en este proceso (por ejemplo, corregir errores, usar como puntos de referencia). "Ultrasonic Surgical System and Method" describe un sistema quirúrgico que utiliza una herramienta ultrasónica, con la capacidad de ayudar al cirujano con la pluralidad de tareas involucradas en el uso de la herramienta, o realizar tareas automáticamente como se indica por el cirujano o un programa precargado. Si bien estas patentes incluyen la automatización como un posible modo de control para sus invenciones, limitan el uso de la automatización a tareas simples o de asistencia del cirujano. "Robotic Surgical System" da una descripción general de un sistema quirúrgico automatizado dentro de una cavidad corporal, pero proporciona pocos detalles sobre su implementación o planes para desarrollo
1. Moustris, GP, SC Hiridis, KM Deliparaschos y KM Konstantinidis. "Evolution of Autonomous and Semiautonomous Robotic Surgical Systems: a Review of the Literature." Int J Med Robot 7, núm. 4 (2011): 375-92.
2. Lin HC, Shafran I, Murphy TE, y otros. Detección y segmentación automática de movimientos quirúrgicos asistidos por robot. En Computación de Imágenes Médicas e Intervención Asistida por Computadora (MICCAI 2005. Springer: Berlín, 2005; 802-810.
3. Reiley CE, Plaku E, Hager GD. Generación de movimiento de tareas quirúrgicas robóticas: aprendizaje de demostraciones de expertos. En Conferencia Internacional Anual de la IEEE, Ingeniería en la Sociedad de Biología y Medicina (EMBC), 2010; 967-970.
4. Bauernschmitt R, Schirmbeck EU, Knoll A, y otros. Hacia la cirugía cardíaca robótica: introducción de procedimientos autónomos en un sistema telemanipulador quirúrgico experimental. Int J MedRobot 2005; 1(3): 74-79.
5. Majdani O, Rau TS, Baron S, y otros Un enfoque mínimamente invasivo guiado por robot para la cirugía de implante coclear: resultados preliminares de un estudio del hueso temporal. Int J Asistente Informático RadiolSurg2009; 4(5): 475-486.
6. Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. 12/842,462: "Surgical Guidance Utilizing Tissue Feedback", Cesionario: Universidad McMaster.
7. Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. 11/392,040: "Ultrasonic Surgical System and Method", Cesionario: Ethicon Endo-Surgery Inc.
8. Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. 12/045,230: "Robotic Surgical System", Cesionario: Fleit Gibbons Gutman Bongini & Bianco PL.
9. El documento WO 2011/083374 Adescribe la conexión servo visual de un robot durante un procedimiento robótico, específicamente un robot endoscópico durante una cirugía mínimamente invasiva.
El documento DE102010029275 describe un sistema robótico con marcadores de seguimiento ópticos en una herramienta robótica y un trocar insertado en el paciente.
Resumen de la invención
El modo de operación maestro-esclavo actualmente disponible limita el robot a la destreza y habilidad del cirujano que opera, lo que puede ser ineficiente para ciertas subtareas que requieren alta precisión, destreza y repetición (por ejemplo, sutura) cuando se compara con el control autónomo. Además, la automatización supervisada mejora las limitaciones de la capacidad de procesamiento visual y adaptativo basada en la experiencia de cada cirujano individual con un algoritmo de soporte de decisiones basado en evidencia construido sobre la capacidad del cirujano maestro y la información del tejido bajo la superficie de una fuente secundaria de imágenes.
Las subrutinas quirúrgicas que requieren alta destreza, precisión y repetición se identificarán y seleccionarán para la automatización. Los datos clínicos (registro visual, movimiento del robot, resultado del paciente, etc.) de las ejecuciones tanto manuales como asistidas por robot de estas rutinas por cirujanos expertos se analizarán para identificar la información crítica para la automatización (por ejemplo, puntos de referencia clave, referencias visuales, ubicación/movimiento del órgano/vaso, etc.) y el patrón de movimiento óptimo para la automatización. El programa de automatización se diseñará para que el programa de automatización pueda adaptar la tarea quirúrgica a diferentes pacientes dada la información crítica mencionada anteriormente. La rutina automatizada no solo imitará los datos clínicos, sino que también aprenderá de los desempeños de los cirujanos expertos y mejorará el desempeño de los cirujanos para aprovechar la eficiencia y la efectividad del robot.
El programa de automatización puede hacer uso de la conexión servo visual con retroalimentación visual en tiempo real de una o más cámaras, ya sean endoscópicas o montadas externamente, que son capaces de proporcionar imágenes de espectro visible y/o no visible. Un ejemplo de imagen de espectro no visible es la imagen fluorescente de infrarrojo cercano (NIR). La información 3D puede proporcionarse junto con la información visual a través de un sensor dedicado o la extracción de información visual. Por ejemplo, si se usan dos cámaras, la información de profundidad 3D podría extraerse del algoritmo de triangulación estéreo. La información de profundidad 3D también podría obtenerse a través de escáneres 3D de luz estructurada o a través de cámaras de campo de luz.
Debido a la naturaleza a menudo dinámica y desestructurada del entorno quirúrgico, los datos ópticos solos pueden no ser suficientes para un seguimiento robusto y de alta fidelidad en tiempo real de objetivos móviles y deformables; por lo tanto, los datos visuales pueden aumentarse, fusionarse o acompañarse por otros sensores según sea necesario (por ejemplo, cámara infrarroja, sensor háptico, etc.). La imagen visual, junto con otros datos sensoriales y críticos, se introducirá en el sistema de control del programa de automatización que moverá el robot y las herramientas para realizar la tarea quirúrgica deseada. Puede generarse más de un programa de automatización para cada procedimiento quirúrgico, con cada programa que acepta una combinación diferente de sensores y datos críticos para adaptarse a diferentes condiciones quirúrgicas, pero que logra el mismo objetivo quirúrgica. Puede hacerse un solo programa para aceptar también múltiples combinaciones de sensores y datos.
Durante la cirugía, el robot podrá operar bajo uno de los tres modos de operaciones: maestro-esclavo, semiautónomo y autónomo supervisado. En el modo maestro-esclavo, el cirujano controla directamente los movimientos del robot para realizar tareas que no pueden realizarse con los otros dos modos, tales como preparar la escena quirúrgica para un programa autónomo (por ejemplo, colocar marcadores de tejido). En el modo semiautónomo, el cirujano proporcionará al robot los comandos de acción (por ejemplo, colocar la sutura en una ubicación específica, cortar el tejido en una línea, hacer un nudo) que el robot realizará mediante el uso de trayectorias calculadas de forma autónoma y accionamientos de herramientas. Es decir, después de la preparación del sitio quirúrgico, el cirujano todavía se involucra en la toma de decisiones y la especificación de comandos de forma interactiva. Esta interacción puede implementarse a través de una interfaz gráfica del usuario, donde el cirujano describe las ubicaciones de las suturas de manera que el programa pueda seguir visualmente las ubicaciones de los objetivos y generar las trayectorias del robot para alcanzar los objetivos. La parte donde el cirujano interactúa con el programa define la semiautonomía. En el modo autónomo supervisado, el cirujano solo proporciona al robot con un objetivo general (por ejemplo, realizar una anastomosis) y el programa autónomo determina las acciones necesarias para completar el objetivo (por ejemplo, ubicación, número, tensión y orden de las suturas a colocar) sin ninguna entrada del cirujano. Es decir, después de la preparación del sitio quirúrgico, el programa elige la ubicación objetivo y procede automáticamente. El papel del cirujano es principalmente la supervisión de la seguridad. A lo largo de la cirugía, el cirujano puede emplear cualquiera de estos tres modos según corresponda, y en cualquier momento en la operación, el cirujano puede interrumpir el movimiento del robot y tomar el control maestro-esclavo del robot.
Un ejemplo de una subtarea quirúrgica que las modalidades de esta invención podrían beneficiar significativamente es la anastomosis. La anastomosis se realiza convencionalmente de forma manual o, más recientemente, mediante el uso de robots a través del control maestro-esclavo, pero ambas técnicas consumen mucho tiempo y son engorrosas debido a la gran cantidad de destreza, precisión y repetición requeridas para el procedimiento. Existe un gran potencial de mejora que se obtiene de la automatización de esta tarea debido a estas características.
La tecnología actual tiene el potencial para mejorar en otros procedimientos quirúrgicos que requieren precisión, repetición, maniobrabilidad y reproducibilidad, que incluyen, entre otros, la colocación (atornillado/fijación) de implantes óseos, disecciones de tejidos, biopsias, cirugías vitreorretinianas, microcirugía y/o o anastomosis vascular, braquiterapia y cierre de piel.
Las modalidades descritas en la presente descripción proporcionan un sistema para realizar un procedimiento quirúrgico automatizado como se establece en las reivindicaciones.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 muestra el flujo de trabajo general de la utilización de la invención en la cirugía robótica;
La Figura 2 muestra la estructura general de la modalidad de la invención en modo semiautónomo donde las tareas quirúrgicas se automatizan parcialmente;
La Figura 3 muestra la modalidad del sistema en el modo asistido por robot maestro-esclavo;
La Figura 4 muestra una modalidad del sistema con autonomía supervisada;
Las Figuras 5A y 5B muestran imágenes infrarrojas de ejemplo con marcadores fluorescentes, donde la Figura 5A ilustra una imagen infrarroja con marcadores fluorescentes y la Figura 5B ilustra una imagen binaria con umbral de intensidad;
Las Figuras 6A y 6B muestran ejemplos de imágenes actuales y objetivos para usar en la conexión servo visual que efectúa la corrección de errores de coordenadas de imagen, donde la Figura 6A ilustra la imagen actual y la Figura 6B ilustra la imagen objetivo;
La Figura 7 muestra una modalidad que utiliza un endoscopio de modo dual para la automatización de la anastomosis;
La Figura 8 muestra cómo puede marcarse el tejido y la herramienta con marcadores fluorescentes con una vista de un órgano y una herramienta de anastomosis para la anastomosis con NIR y un sujetador biodegradable;
La Figura 9 muestra cómo puede funcionar una herramienta especializada para la anastomosis automatizada con una vista de una herramienta de anastomosis que une un sujetador al órgano;
Las Figuras 10A, 10B y 10C muestran las dos imágenes que puede recibir el endoscopio de modo dual y cómo pueden superponerse, donde la Figura 10A ilustra una imagen de espectro visible, la Figura 10B ilustra una imagen de espectro NIR y la Figura 10C ilustra una imagen visible y una imagen NIR superpuesta;
Las Figuras 11A y 11B muestran una modalidad de un sujetador especial hecho para anastomosis, donde la Figura 11A ilustra el sujetador biodegradable, el cierre y el tejido y la Figura 11B ilustra cómo el sujetador perfora ambos tejidos y el cierre se ajusta en un extremo del sujetador para contener los tejidos juntos;
La Figura 12 muestra el procedimiento general para desarrollar el programa quirúrgico automatizado a partir de datos clínicos; y
La Figura 13 ilustra un diagrama de bloques de un dispositivo informático, de acuerdo con una modalidad.
Descripción detallada de las modalidades preferidas
Las modalidades de la invención describen un sistema para la automatización de tareas quirúrgicas. Las modalidades consisten en generar un programa quirúrgico automatizado basado en datos clínicos, luego aplicar el programa quirúrgico automatizado a los pacientes durante la cirugía.
La Figura 1 muestra el flujo de trabajo general de utilizar el sistema propuesto en una operación quirúrgica. El cirujano inicia 100 la cirugía al utilizar las herramientas manuales 101, ya sea que realiza segmentos de la operación que pueden realizarse manualmente de manera eficiente o que prepara el sitio quirúrgico para el robot 102. Una vez que el paciente se ha preparado, el cirujano luego introduce el robot 103 en el paciente y comienza el modo de operación robótico 104. Cuando se despliega, el robot puede configurarse para trabajar con uno de los tres modos de operación: maestro-esclavo 105, donde el cirujano controla el movimiento del robot directamente a través de controladores; semiautónomo 106, donde el robot realiza tareas bajo la dirección de un cirujano; o autónomo supervisado 107, donde el robot realiza una tarea de forma autónoma bajo la supervisión del cirujano. Antes de activar el modo de operación semiautónomo o autónomo supervisado, el cirujano prepararía el sitio quirúrgico y el sistema quirúrgico según se requiera 108. El cirujano también puede cambiar libremente entre los diferentes modos de operación 109, hasta que el robot ya no se necesite o deba eliminarse para continuar la cirugía 111. Después de eliminar el robot, el cirujano puede continuar la cirugía mediante el uso de herramientas manuales 101, traer de vuelta el robot si es necesario 103, o finalizar la operación al realizar cualquier tarea final 112.
Las Figuras 2, 3 y 4 representan los diferentes modos de operación para el sistema propuesto. En el modo semiautónomo (Figura 2), el cirujano 200 proporciona comandos al programa de automatización 208 durante la operación. El programa de automatización 208 recibe la información de seguimiento del módulo de seguimiento basado en imágenes 207, combina la información de seguimiento con los comandos intraoperatorios del cirujano 200 y los parámetros específicos del paciente 210 y envía los comandos apropiados al robot en tiempo real para controlar el robot quirúrgico 201 y la(s) herramienta(s) quirúrgica(s) 211 (que pueden o no especializarse para el procedimiento actual) para obtener un objetivo predeterminado (por ejemplo, anastomosis). El cirujano 200 puede recibir retroalimentación visual, auditiva o háptica 212 mientras él/ella mira la pantalla visual 209 e interactúa con el robot quirúrgico como supervisor 213, tomando el control a través de una consola maestra cuando sea necesario. En modo maestro-esclavo (Figura 3), el cirujano 300 controla la herramienta quirúrgica a través del control maestroesclavo 314 de un robot 301. El cirujano recibe retroalimentación visual a través de la pantalla visual 309 y también puede proporcionarse con otra retroalimentación visual, de audio o háptica 312, pero el lazo de control se cierra únicamente a través del cirujano.
En el modo autónomo supervisado (Figura 4), el lazo de control se cierra únicamente a través del programa autónomo 408 que utiliza seguimiento basado en imágenes y parámetros específicos del paciente 410 excepto cuando el cirujano 400 detiene el control autónomo y toma el control 413 para evitar una complicación, corregir una acción incorrecta u otras razones.
En cirugía, el cirujano debe preparar la escena quirúrgica mediante el uso de herramientas manuales o el robot para permitir que el programa de automatización tome el control. Esto puede incluir, pero no se limita a: colocar las herramientas en la proximidad del órgano objetivo 202, mover la cámara 203 para proporcionar una visión del órgano objetivo 202, marcar puntos de referencia clave, configurar módulos de sensores adicionales 205, marcar el área de trabajo, y marcar los tejidos/órganos vitales. Una vez instalada la escena quirúrgica, pueden usarse los modos de operación semiautónomos y autónomos supervisados, según corresponda.
Una fuente de luz visible 204 ilumina la escena quirúrgica, lo que permite que la cámara 203 grabe imágenes en vivo del procedimiento. El módulo de control y adquisición de imágenes 206 captura y digitaliza las imágenes del endoscopio/cámara 203 y las proporciona al módulo de seguimiento basado en imágenes 207 y la pantalla visual 209. La pantalla visual 209 proporciona una alimentación de imágenes de las imágenes visuales adquiridas; la pantalla visual 209 también puede mostrar una imagen de realidad aumentada al superponer el video con información de los sensores adicionales 205 o del módulo de seguimiento basado en imágenes 207. El módulo de seguimiento basado en imágenes 207 aplica algoritmos de procesamiento de imágenes para seguir las herramientas y los puntos de referencia. Estas tareas se realizarían por un ordenador que se conecta a los sensores y contiene el software para la adquisición de imágenes 206, el programa de automatización 208, el módulo de seguimiento basado en imágenes 207 y la retroalimentación del procesamiento 212.
Los módulos de sensores adicionales 205, que se usan según sea necesario para hacer el programa de automatización más robusto, pueden enviar información desde los módulos de sensores adicionales 205 al módulo de adquisición de imágenes 206 o directamente al programa de automatización 208, en dependencia de la naturaleza del sensor. Los módulos de sensores adicionales también pueden enviar información desde los módulos de sensores adicionales 205 a la pantalla visual 209 para superponerse con el video o enviarse a la consola del cirujano para proporcionar retroalimentación visual, de audio o háptica 212.
En una modalidad de la invención, el cirujano selecciona una serie de programas de automatización de una biblioteca de programas de automatización disponibles. Un ejemplo de un programa de automatización es aquel que realiza una tarea de sutura donde deben suturarse o coserse uno o más puntos en diferentes tejidos, es decir, debe posicionarse la herramienta quirúrgica con respecto al tejido a realizar la sutura.
En una modalidad de la invención, el programa de automatización utiliza un sistema de conexión servo visual basado en imágenes, donde la herramienta robótica se controla en lazo cerrado mediante el uso de una ley de control basada en imágenes. En la conexión servo visual, la diferencia entre la imagen deseada, que representa la herramienta en la ubicación objetivo, y la imagen actual, que representa la herramienta actual y la ubicación objetivo, se usa para calcular el error en las coordenadas de la imagen. Este error en las coordenadas de la imagen se usa para generar el movimiento de la herramienta robótica hacia la posición objetivo. A medida que la herramienta robótica se acerca a la ubicación objetivo en el campo quirúrgico, el error en el espacio de la imagen se hace más pequeño. En la iteración final del lazo de control, el error se aproxima a cero, momento en el que la herramienta ha alcanzado la ubicación objetivo tanto en las coordenadas de la imagen como en las coordenadas cartesianas del robot. Este es el núcleo del lazo de control de la conexión servo visual basado en imágenes. Si se usa un sistema de cámara estéreo, las coordenadas de las imágenes izquierda y derecha podrían aumentarse para controlar más grados de libertad (DOF) de la herramienta robótica.
Una modalidad de la invención usa imágenes que contienen el espectro visible del campo quirúrgico y/u otro contenido de luz no visible, tal como el espectro infrarrojo cercano (NIR, 700-1100 nm). Por ejemplo, antes de que se active el programa autónomo, el cirujano puede colocar marcadores NIR en ubicaciones objetivos que se seguirán mediante el uso de una cámara NIR. La distinción de los marcadores NIR de las imágenes del espectro visual, junto con la capacidad del espectro infrarrojo cercano para pasar a través de la sangre y el tejido, permite un seguimiento más robusto en tiempo real de los tejidos objetivos en el entorno quirúrgico dinámico (por ejemplo, tejido suave deformado). La formación de imágenes ópticas multiespectrales también puede usarse para detectar información de tejido bajo la superficie que ayude a una orientación óptima.
La automatización de la anastomosis se describe en una modalidad de esta invención, donde los órganos tubulares, tales como el intestino, se unen mediante el uso de suturas, sujetadores, pegamento o grapas. En la anastomosis semiautónoma mediante el uso de suturas, el cirujano primero prepara los órganos tubulares en orientaciones predefinidas y marca las ubicaciones de las suturas o la circunferencia de los tubos para que el programa los siga visualmente. El programa de automatización luego mueve de forma autónoma la herramienta robótica a las ubicaciones de sutura seleccionadas y realiza la sutura. En la anastomosis autónoma mediante el uso de suturas, el programa primero detecta las ubicaciones óptimas de las suturas en base a las propiedades del tejido (por ejemplo, mecánicas, ópticas, geométricas) y las características cinemáticas y dinámicas de la herramienta robótica para una destreza óptima. Una vez que se detectan las ubicaciones óptimas de sutura, el programa autónomo lleva la herramienta a la ubicación de sutura y realiza la sutura.
Las Figuras 5 y 6 muestran una modalidad de esta invención que utiliza marcadores NIR y conexión servo visual para realizar la anastomosis. En esta modalidad, el cirujano coloca marcadores NIR fluorescentes 500 en las ubicaciones de sutura objetivo para preparar el sitio quirúrgico para el programa autónomo. El sistema visual obtiene imágenes del espectro visible y del espectro infrarrojo cercano (Figura 5A), lo que permite que el servo visual siga de manera confiable la herramienta 501 marcada NIR y las ubicaciones de sutura 502 en tiempo real a través de los marcadores NIR 500. Un ejemplo de procesamiento de imágenes que puede realizarse para ayudar en el seguimiento es una imagen binaria de umbral infrarrojo (Figura 5B), que diferencia claramente las áreas marcadas de las áreas no marcadas. El servo visual luego mueve 603 la herramienta robótica 602 hacia el sitio de sutura 601 (Figura 6A) para que el error en la imagen y el espacio de coordenadas cartesianas se acerque a cero (Figura 6B). Una vez que se alcanza un sitio de sutura, el programa autónomo coloca una sutura antes de moverse al siguiente sitio de sutura.
Para ayudar además en el seguimiento de los tejidos en el entorno quirúrgico dinámico y deformante, ciertas modalidades de esta invención pueden tener medios de obtener información en 3D sobre el espacio de trabajo quirúrgico. Una modalidad de este medio usa dos cámaras, lo que permite la extracción de información de profundidad 3D a través de un algoritmo de triangulación estéreo. Otra modalidad implica el uso de escáneres 3D de luz estructurada para obtener información 3D. Otra modalidad implica obtener información 3D a través de cámaras de campo de luz.
La Figura 7 muestra el diagrama del sistema de la modalidad que utiliza la conexión servo visual con marcadores NIR para anastomosis. Se despliegan marcadores fluorescentes sobre el órgano 702 (por ejemplo, dos lados de un conducto biliar a anastomosar) en modo manual y dos fuentes de luz 704 y 715 iluminan la escena. Una fuente de luz 704 es una fuente de luz visual que permite adquirir imágenes normales de los órganos. La otra fuente de luz 715 es una fuente de luz de banda estrecha (por ejemplo, en el intervalo del infrarrojo cercano) que se elige de acuerdo con la longitud de onda de excitación del material fluorescente. Tanto las imágenes de luz visible como las de luz fluorescente se capturan por el endoscopio de modo dual 703 y se envían al módulo de adquisición y control de imágenes 706, que luego enviará las imágenes a la pantalla visual 709 para superponerlas y al módulo de seguimiento basado en imágenes 707 para procesamiento. El sistema de control de conexión servo visual 708 del programa de automatización utiliza las marcas fluorescentes para volverse más robusto, lo que permite que el programa de automatización mueva el robot 701 y la herramienta de anastomosis especializada 711 apropiadamente para llevar a cabo el procedimiento deseado (anastomosis).
Las Figuras 8, 9 y 10 muestran una modalidad de la invención que realiza anastomosis con marcadores NIR y sujetadores biodegradables. Para prepararse para el modo de operación autónomo supervisado, se administran marcadores fluorescentes 816 alrededor del sitio de anastomosis 802 y, opcionalmente, la herramienta 811. La herramienta despliega sujetadores biodegradables 817 (se proporcionan más detalles en la Figura 11) que pueden usarse para realizar la anastomosis. En la Figura 9, el programa autónomo se proporciona con imágenes de los marcadores fluorescentes 916 que, junto con otros datos del sensor, se usan para guiar la herramienta 911 al sitio de anastomosis 902, donde se desplegarán los sujetadores 917 para realizar la anastomosis. La Figura 10 demuestra el beneficio potencial de usar marcadores fluorescentes en la presencia de obstrucciones visuales 1018 en el campo quirúrgico. Si bien la obstrucción afectaría la visión del sitio de la anastomosis en el espectro visible (Figura 10A), ciertos tintes fluorescentes emiten luz infrarroja que puede atravesar las obstrucciones (Figura 10B). Al combinar la información de diferentes espectros de luz (Figura 10C), el sistema de seguimiento visual se hace más robusto.
La Figura 11 muestra una modalidad de un sujetador biodegradable 1117 usado para realizar la anastomosis. El sujetador perfora a través de los dos tejidos 1102 que se van a unir y se fija en su lugar al ajustar un cierre biodegradable 1119 alrededor de la cola del sujetador biodegradable 1117.
La Figura 12 representa el flujo de trabajo general para desarrollar el programa quirúrgico automatizado a partir de datos clínicos. Los datos clínicos 120 se procesan para obtener un conjunto de datos sin procesar 121. Esto consiste en datos visuales de cámaras o endoscopios, información cinemática y háptica si la cirugía se realiza de forma robótica y otros datos relevantes, tales como el estado del paciente durante la cirugía, el resultado, los signos vitales, etc. Estos datos se analizan, ya sea manualmente o mediante el uso de algoritmos informáticos tales como el reconocimiento de patrones, para producir un conjunto de información espaciotemporal 122 sobre la cirugía. Este conjunto contiene el movimiento de la herramienta, el posicionamiento de la herramienta, la ubicación y el movimiento de estructuras/órganos vitales, puntos de referencia viables, deformación del tejido y otra información, tal como la correlación entre ciertos movimientos y los resultados del paciente. Los movimientos ineficaces también pueden identificarse en esta etapa al comparar los movimientos de cirujanos de experiencia variable, que pueden eliminarse durante la programación e identificarse para capacitar a cirujanos en el futuro. Esto puede realizarse mediante técnicas de aprendizaje por imitación robótica, donde se recopilan datos sensoriales de operadores expertos mientras realizan maniobras similares. Los datos sensoriales, tales como las trayectorias del dispositivo de entrada, primero se escalan y normalizan, luego se parametrizan. Los parámetros se aprenden, por ejemplo, mediante el uso de métodos subespaciales lineales tales como el Análisis de Componentes Principales (PCA) a partir de repeticiones de maniobras de la misma tarea. Cada maniobra experta luego puede representarse mediante combinaciones lineales de diferentes curvas paramétricas. Los movimientos pueden optimizarse además al incorporar movimientos que los cirujanos normalmente no harían debido a las limitaciones de destreza de sus manos. Estos datos espaciotemporales del procedimiento se combinan luego con la capacidad del robot quirúrgico 123 (por ejemplo, velocidad y destreza) y las características del tejido 124 (por ejemplo, movimiento esperado, rigidez del tejido) para producir el programa de automatización 125 específico para un procedimiento quirúrgico. El programa consiste en los patrones de movimiento en el procedimiento, un sistema de control que combina información sensorial diferente para producir los patrones de movimiento, un conjunto de información crítica (por ejemplo, puntos de referencia, órganos/vasos vitales) que debe proporcionarse, un conjunto de limitaciones, tales como límites de velocidad y limitaciones espaciales, y modelos de deformación/movimiento de los tejidos involucrados. También puede implementarse un método de actualización para incorporar más datos clínicos de cirujanos expertos para ayudar a mejorar este procedimiento automatizado con el tiempo. Cada uno de los elementos basados en programas o algoritmos de la descripción señalada anteriormente puede implementarse mediante hardware tal como el hardware que se encuentra en la descripción de la Figura 13. En la Figura 12, el ordenador 1299 incluye una CPU 1200 que realiza los procesos descritos anteriormente. Los datos e instrucciones del proceso pueden almacenarse en la memoria 1202. Estos procesos e instrucciones también pueden almacenarse en un disco de medio de almacenamiento 1204 tal como un disco duro (HDD) o un medio de almacenamiento portátil o pueden almacenarse de forma remota. Además, los avances reivindicados no se limitan por la forma de los medios legibles por ordenador en los cuales se almacenan las instrucciones del proceso inventivo. Por ejemplo, las instrucciones pueden almacenarse en los CD, DVD, memoria FLASH, RAM, ROM, PROM, EPROM, EEp Ro M, disco duro o cualquier otro dispositivo de procesamiento de información con el cual se comunique el sistema, tal como un servidor o un ordenador.
Además, los avances reivindicados pueden proporcionarse como una aplicación de utilidad, un demonio en segundo plano o un componente de un sistema operativo, o sus combinaciones, que se ejecuta junto con la CPU 1200 y un sistema operativo tal como Microsoft Windows 7, UNIX, Solaris, LINUX, Apple MAC-OS y otros sistemas conocidos para los expertos en la técnica.
La CPU 1200 puede ser un procesador Xenon o Core de Intel de América o un procesador Opteron de AMD de América, o pueden ser otros tipos de procesadores que se reconocería por un experto en la técnica. Alternativamente, la CPU 1200 puede implementarse en un FPGA, ASIC, PLD o mediante el uso de circuitos lógicos discretos, como se reconocería por un experto en la técnica. Además, la CPU 1200 puede implementarse como múltiples procesadores que trabajan cooperativamente en paralelo para realizar las instrucciones de los procesos inventivos descritos anteriormente.
La computadora 1299 en la Figura 13 también incluye un controlador de red 1206, tal como una tarjeta de interfaz de red Intel Ethernet PRO de la Corporación Intel de América, para interactuar con la red 1250. Como puede apreciarse, la red 1250 puede ser una red pública, tal como Internet, o una red privada, tal como una red LAN o WAN, o cualquiera de sus combinaciones y también puede incluir subredes PSTn o ISDN. La red 1250 también puede ser cableada, tal como una red Ethernet, o puede ser inalámbrica tal como una red celular que incluye EDGE, sistemas celulares inalámbricos 3G y 4G. La red inalámbrica también puede ser WiFi, Bluetooth o cualquier otra forma inalámbrica de comunicación que se conozca.
El ordenador 1299 incluye además un controlador de pantalla 1208, tal como un adaptador de gráficos NVIDIA GeForce GTX o Quadro de la Corporación NVIDIA de América para interactuar con la pantalla 1210, tal como un monitor LCD Hewlett Packard HPL2445w. Una interfaz de E/S de propósito general 1212 interactúa con un teclado y/o ratón 1214 así como también con un panel de pantalla táctil 1216 en o separado de la pantalla 1210. La interfaz de E/S de propósito general también se conecta a una variedad de periféricos 1218 que incluyen impresoras y escáneres, tales como OfficeJet o DeskJet de Hewlett Packard. Los elementos periféricos descritos previamente en las modalidades ilustrativas anteriores pueden llevarse a la práctica mediante los periféricos 1218 en la modalidad ilustrativa de la Figura 13.
También puede proporcionarse un controlador de sonido 1220 en el ordenador 1299, tal como Sound Blaster X-Fi Titanium de Creative, para interactuar con los altavoces/micrófono 1222 que proporcionan de esta manera sonidos y/o música. Los altavoces/micrófono 1222 también pueden usarse para aceptar palabras dictadas como comandos para controlar el sistema de procedimiento médico guiado por robot o para proporcionar información de ubicación y/o propiedad con respecto a la propiedad objetivo.
El controlador de almacenamiento de propósito general 1224 conecta el disco de medio de almacenamiento 1204 con el bus de comunicación 1226, que puede ser un ISA, EISA, VESA, PCI o similar, para interconectar todos los componentes del sistema de procedimiento médico guiado por robot. Se omite una descripción de las características generales y la funcionalidad de la pantalla 1210, el teclado y/o el ratón 1214, así como también el controlador de pantalla 1208, el controlador de almacenamiento 1224, el controlador de red 1206, el controlador de sonido 1220 y la interfaz de E/S de propósito general 1212 en la presente descripción en aras de la brevedad, ya que estas características se conocen.
Obviamente, son posibles muchas modificaciones y variaciones de la presente descripción a la luz de las enseñanzas anteriores. Por lo tanto, debe entenderse que dentro del alcance de las reivindicaciones anexas, la invención puede ponerse en práctica de cualquier otra manera que la descrita específicamente en la presente descripción. Por ejemplo, pueden lograrse resultados ventajosos si las etapas de las técnicas descritas se realizaron en una secuencia diferente, si los componentes de los sistemas descritos se combinaron de una manera diferente, o si los componentes se reemplazaron o complementaron con otros componentes. Las funciones, procesos y algoritmos descritos en la presente descripción pueden realizarse en hardware o software ejecutado por hardware, que incluyen procesadores de ordenadores y/o circuitos de procesamiento programables configurados para ejecutar código de programa e/o instrucciones de ordenador para ejecutar las funciones, procesos y algoritmos descritos en la presente descripción. Un circuito de procesamiento incluye un procesador programado, como un procesador incluye circuitos. Un circuito de procesamiento también incluye dispositivos tales como un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) y componentes de circuitos convencionales dispuestos para realizar las funciones enumeradas.
Las funciones y características descritas en la presente descripción también pueden ejecutarse por varios componentes distribuidos de un sistema. Por ejemplo, uno o más procesadores pueden ejecutar estas funciones del sistema, en donde los procesadores se distribuyen entre múltiples componentes que se comunican en una red. Los componentes distribuidos pueden incluir una o más máquinas cliente y/o servidor, además de varios dispositivos de interfaz humana y/o comunicación (por ejemplo, monitores de pantalla, teléfonos inteligentes, tabletas, asistentes digitales personales (PDA)). La red puede ser una red privada, tal como una LAN o WAN, o puede ser una red pública, tal como Internet. La entrada al sistema puede recibirse a través de la entrada directa del usuario y/o recibirse de forma remota, ya sea en tiempo real o como un proceso por lotes. Adicionalmente, algunas implementaciones pueden realizarse en módulos o hardware no idénticos a los descritos. En consecuencia, otras implementaciones están dentro del alcance que puede reivindicarse.
Se debe señalar que, como se usa en la descripción y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares “un”, "una" y “el/la” incluyen los referentes en plural a menos que el contexto lo dicte claramente de cualquier otra manera.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema para realizar un procedimiento quirúrgico automatizado, que comprende:
un sensor (203, 205) que proporciona información con relación a un campo quirúrgico (202);
una interfaz del usuario configurada para recibir comandos emitidos por un cirujano (200, 300, 400);
un dispositivo de retroalimentación (209, 309, 212, 312) configurado para transmitir información al cirujano (200, 300);
una herramienta quirúrgica (211) que tiene una porción del extremo usada para realizar una tarea quirúrgica; un robot quirúrgico (201, 301, 701) que se acopla a la herramienta quirúrgica (211) y que posiciona y orienta la herramienta quirúrgica (211);
al menos un marcador fluorescente de infrarrojo cercano configurado para desplegarse en al menos uno de un tejido objetivo, tejidos circundantes y la porción del extremo de la herramienta quirúrgica;
un módulo de procesamiento de seguimiento (207, 707) implementado por hardware de procesamiento (1299) y configurado para:
recibir datos del sensor desde el sensor (203, 205), los datos del sensor recibidos que incluyen datos relacionados con al menos un marcador fluorescente de infrarrojo cercano desplegado en al menos uno de un tejido objetivo, tejidos circundantes y la porción del extremo de la herramienta quirúrgica, identificar posiciones en al menos dos del tejido objetivo, los tejidos circundantes y la porción del extremo de la herramienta quirúrgica en base a los datos del sensor; y,
generar información de seguimiento mediante el seguimiento de las posiciones identificadas en los respectivos al menos dos del tejido objetivo, los tejidos circundantes y la porción del extremo de la herramienta quirúrgica, el seguimiento que incluye identificar una ubicación de las posiciones identificadas con respecto a una posición de referencia a lo largo del tiempo, incluso cuando las posiciones identificadas se mueven con respecto a la posición de referencia; y
un módulo de control implementado por el hardware de procesamiento (1299) y configurado para procesar la información del campo quirúrgico recibida del sensor, la información de seguimiento recibida del módulo de procesamiento de seguimiento (207, 707) y los comandos recibidos de la interfaz del usuario mediante el uso de un programa de automatización (208, 408), para generar comandos para el robot quirúrgico (201, 301) en base al procesamiento, y para enviar los comandos al robot quirúrgico (201, 301, 701).
2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el sistema comprende una pluralidad de sensores (203, 205) que proporcionan información con relación al campo quirúrgico (202).
3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el sensor (203, 205) es uno de una cámara, una cámara fluorescente de infrarrojo cercano 'NIR', una cámara de profundidad, un escáner 3D de luz estructurada.
4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el dispositivo de retroalimentación es una pantalla (209, 309) configurada para mostrar señales visuales o imágenes o un dispositivo auditivo.
5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el módulo de procesamiento de seguimiento (207) se configura además para seguir las posiciones identificadas en al menos uno de los tejidos objetivos, los tejidos circundantes y la porción del extremo de la herramienta quirúrgica, mediante el uso de al menos un marcador fluorescente de infrarrojo cercano 'NIR'.
6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el robot quirúrgico (201, 301, 701) se acopla de manera desmontable a la herramienta quirúrgica (211).
7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el programa de automatización (208) es semiautónomo.
8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el programa de automatización (408) es autónomo supervisado.
9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el módulo de control se configura para deshabilitar el programa de automatización (208, 408) e implementar un modo maestro-esclavo en base a la entrada del cirujano.
10. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el módulo de control se configura además para implementar la corrección de la conexión servo visual.
11. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el programa de automatización (708) se configura para implementar la anastomosis.
12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el módulo de control se configura además para generar adicionalmente los comandos en base a al menos uno de una zona de exclusión aérea, un centro de movimiento remoto y un límite de velocidad/fuerza.
13. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el programa de automatización (208, 708) se configura para unir tejido al generar y enviar comandos al robot quirúrgico (201, 301, 701).
14. El sistema de acuerdo con la reivindicación 13, en donde la unión del tejido se realiza mediante sutura, sujetadores, grapas o adhesivo.
15. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el módulo de control se configura además para implementar la corrección de la conexión servo visual para llevar la porción del extremo de la herramienta a un objetivo.
16. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las posiciones identificadas por el módulo de procesamiento de seguimiento (207, 707) son posiciones tridimensionales.
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