ES2922526T3 - Sistema robótico quirúrgico y control de sistema robótico quirúrgico - Google Patents

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ES2922526T3 ES15753694T ES15753694T ES2922526T3 ES 2922526 T3 ES2922526 T3 ES 2922526T3 ES 15753694 T ES15753694 T ES 15753694T ES 15753694 T ES15753694 T ES 15753694T ES 2922526 T3 ES2922526 T3 ES 2922526T3
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Gerrit Jacobus Lambertus Naus
Hildebert Christiaan Matthijs Meenink
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Abstract

Un sistema robótico quirúrgico comprende un brazo quirúrgico (080) que comprende una parte de brazo móvil (082) para el montaje de un instrumento quirúrgico (119), la parte de brazo móvil que tiene al menos un grado de libertad para permitir el movimiento longitudinal (109) de el instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico (123). Se proporciona una interfaz hombre-máquina (020) para recibir comandos de posicionamiento (022) de un operador humano para controlar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico, y se configura y dispone un actuador (060) para accionar la parte móvil del brazo para efectuar el movimiento longitudinal. movimiento del instrumento quirúrgico. El actuador es controlado por un procesador de acuerdo con los comandos de posicionamiento y un límite virtual (132-135). El límite virtual establece una transición en el control del movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico en una dirección hacia el objetivo quirúrgico. El límite virtual se determina, durante el uso del sistema robótico quirúrgico, en base a los comandos de posicionamiento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema robótico quirúrgico y control de sistema robótico quirúrgico
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un sistema robótico quirúrgico para utilizarse en un procedimiento quirúrgico.
ANTECEDENTES
Los procedimientos quirúrgicos implican, cada vez más, el uso de sistemas robóticos quirúrgicos. En lugar de operar de manera completamente autónoma, dichos sistemas robóticos quirúrgicos están típicamente, por lo menos en parte, bajo el control de un operador humano, por ejemplo, para controlar el movimiento de un instrumento quirúrgico montado en un brazo quirúrgico del sistema robótico quirúrgico. Como tales, los sistemas robóticos quirúrgicos pueden ayudar al operador humano a realizar un procedimiento quirúrgico.
Para este fin, un sistema robótico quirúrgico puede estar provisto de un brazo quirúrgico que comprende una parte de brazo móvil, comprendiendo la parte de brazo móvil un conector de instrumento para el montaje de un instrumento quirúrgico. Por consiguiente, el instrumento quirúrgico puede ser posicionado por el brazo quirúrgico. Puede disponerse una interfaz hombre-máquina para recibir órdenes de posicionamiento de un operador humano para controlar el movimiento del instrumento quirúrgico. Puede disponerse un actuador para accionar la parte de brazo móvil para efectuar el movimiento del instrumento quirúrgico de acuerdo con los comandos de posicionamiento proporcionados por el operador humano. En el campo de la teleoperación pueden encontrarse ejemplos de esta propuesta, donde un operador humano puede operar un dispositivo maestro, por ejemplo, un controlador de movimiento, para proporcionar comandos de posicionamiento para un dispositivo esclavo, por ejemplo, el brazo quirúrgico mencionado anteriormente.
Los sistemas robóticos quirúrgicos del tipo anterior en sí mismos son conocidos.
Por ejemplo, US2013338679 A1 describe un robot quirúrgico para realizar cirugía mínimamente invasiva, que comprende un brazo quirúrgico, en el que dicho brazo quirúrgico tiene una parte de brazo quirúrgico fija y una parte de brazo quirúrgico móvil que puede moverse respecto a dicha parte de brazo quirúrgico fija. El brazo quirúrgico comprende, además, un instrumento quirúrgico montado en dicha parte de brazo móvil. Un brazo de manipulación está acoplado de manera giratoria al segundo punto de acoplamiento de la parte de brazo quirúrgico fija utilizando un extremo del brazo de manipulación. Se indica que, para controlar el brazo de manipulación, podría utilizarse un control de manipulación y un medio de accionamiento.
US 2012/158011 A1 describe una interfaz de sensor de proximidad/contacto que establece una pluralidad de las denominadas zonas de proximidad. Cada zona de proximidad puede tener un conjunto asociado de criterios de proximidad que, si cumplen con la posición, la velocidad y la desviación/rotación del dispositivo médico que se está monitorizando, da como resultado que se tomen acciones de respuesta predeterminadas. Las especificaciones de las zonas de proximidad pueden obtenerse del usuario. Por ejemplo, puede disponerse una lógica de IU para recibir entradas del usuario para definir la pluralidad de zonas de proximidad.
US 2007/0144298 A1 describe un sistema robótico médico que incluye un instrumento quirúrgico controlado robóticamente. El sistema incluye un controlador de restricciones que restringe el movimiento del instrumento en función de un parámetro predeterminado.
En general, el movimiento del instrumento quirúrgico puede ser en dirección longitudinal, por ejemplo, a lo largo del eje longitudinal del instrumento quirúrgico. Esta dirección también se denomina dirección axial longitudinal o, de manera breve, dirección axial. Este movimiento longitudinal permite mover el instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico en un interior, o sobre una superficie del exterior de un paciente. En consecuencia, el instrumento quirúrgico puede utilizarse para modificar tejido (biológico) cerca del objetivo quirúrgico, para administrar un agente al objetivo quirúrgico, etc. Ejemplos de dichos instrumentos quirúrgicos incluyen, entre otros, fórceps, elementos de corte mecánicos, elementos de corte de coagulación, tijeras, agujas de inyección, dispositivos de sellado, etc.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Un problema del movimiento longitudinal de un instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico es que dicho movimiento, si no se controla suficientemente, puede suponer un riesgo. Por ejemplo, si un objetivo quirúrgico se encuentra situado en la superficie de un órgano, un movimiento incontrolado hacia el objetivo quirúrgico puede perforar accidentalmente la superficie.
Uno de los objetivos de la invención es obtener un sistema robótico quirúrgico que permita controlar mejor el movimiento longitudinal de un instrumento quirúrgico que va montado en el sistema robótico quirúrgico.
Un aspecto de la invención presenta un sistema robótico quirúrgico para utilizarse en un procedimiento quirúrgico, estando definido el sistema robótico quirúrgico por la reivindicación 1.
El aspecto anterior de la invención implica un sistema robótico quirúrgico que comprende un brazo quirúrgico. El brazo quirúrgico comprende una parte de brazo móvil, comprendiendo la parte de brazo móvil un conector de instrumento para el montaje de un instrumento quirúrgico. El instrumento quirúrgico tiene un eje longitudinal, que normalmente pasa a través de una punta del instrumento quirúrgico. La parte de brazo móvil tiene por lo menos un grado de libertad (DoF) para permitir el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico a lo largo del eje longitudinal del instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico. Se observa que la parte móvil del brazo puede tener exactamente un DoF alineado con el eje longitudinal del instrumento quirúrgico para permitir dicho movimiento longitudinal. Sin embargo, la parte de brazo móvil también puede tener múltiples DoFs que permitan dicho movimiento longitudinal sin que ninguno de los DoFs tenga que estar alineado individualmente con el eje longitudinal. Cabe señalar que los brazos quirúrgicos que tienen la funcionalidad descrita en este párrafo son conocidos se sí mismos del campo de la robótica médica, y también son conocidos como manipuladores de instrumentos, brazos robóticos, dispositivos esclavos de robots quirúrgicos, etc.
Se dispone una interfaz hombre-máquina para recibir órdenes de posicionamiento de un operador humano para controlar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico. Además, se dispone un actuador para accionar la parte de brazo móvil para efectuar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico. Otro término para actuador es mecanismo de accionamiento.
Se dispone un procesador para controlar el actuador de acuerdo con los comandos de posicionamiento. Como tal, el procesador puede controlar el accionamiento de la parte móvil del brazo en base a los comandos de posicionamiento, por ejemplo, para efectuar un movimiento longitudinal deseado del instrumento quirúrgico de acuerdo con lo indicado por los comandos de posicionamiento. Sin embargo, el procesador puede ajustar el control del actuador en base a un límite virtual. Es decir, el límite virtual puede establecer una transición en el control del movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico en una dirección hacia el objetivo quirúrgico. Aquí, el término "límite virtual" puede referirse a una representación de datos de un límite en el espacio físico, por ejemplo, una posición, una línea o un contorno. Además, el término "movimiento longitudinal hacia el objetivo quirúrgico" se refiere a un movimiento de avance del instrumento quirúrgico en lugar de un movimiento de retracción del instrumento quirúrgico y, como tal, se refiere a un movimiento en la dirección general del objetivo quirúrgico. El límite virtual puede hacer que el procesador haga una transición en el comportamiento de control cuando cruza el límite virtual y, por lo tanto, puede servir efectivamente para dividir el espacio físico, por ejemplo, el espacio de trabajo del sistema robótico quirúrgico, en diferentes zonas. Por ejemplo, el límite virtual puede dividir el espacio físico en una primera zona y una segunda zona, comprendiendo la segunda zona el objetivo quirúrgico, que puede estar asociado a un mayor riesgo. El procesador puede controlar el actuador para los comandos de posicionamiento que representan el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico en y/o en la dirección de la segunda zona, de manera diferente que los que representan el movimiento longitudinal en y/o en la dirección de la primera zona.
El procesador determina el límite virtual en base a los comandos de posicionamiento durante el uso del sistema robótico quirúrgico. Como tal, el límite virtual puede ser determinado por lo menos en parte por el propio operador humano, concretamente a partir de los comandos de posicionamiento que proporciona el operador humano para controlar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico.
Al aplicar un límite virtual de la manera descrita anteriormente, puede proporcionarse al operador humano un control más seguro y/o más preciso sobre el instrumento quirúrgico en las proximidades de un objetivo quirúrgico. A la inversa, lejos del objetivo quirúrgico, puede prescindirse deliberadamente del control más seguro y/o más preciso para permitir un movimiento más rápido del instrumento quirúrgico. Por ejemplo, el límite virtual se utiliza para no permitir el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico hacia el objetivo quirúrgico más allá del límite virtual. Al mismo tiempo, los inventores han reconocido que existe la necesidad de determinar el límite virtual sin tener que depender necesariamente de los datos del sensor que son indicativos de una distancia hacia el objetivo quirúrgico. Es decir, el sistema robótico quirúrgico puede carecer de dicho sensor o, si se dispone un sensor, los datos del sensor pueden no ser siempre fiables, etc. Sin embargo, los inventores han reconocido que los comandos de posicionamiento proporcionados por el operador humano son indicativos de dónde debe (re)posicionarse adecuadamente el límite virtual. Como tal, el comportamiento de control del operador humano, representado por los comandos de posicionamiento, puede utilizarse para determinar la posición del límite virtual. Ventajosamente, no es necesario confiar en los datos del sensor, o sólo en los datos del sensor, para determinar un límite virtual. Más bien, el procesador puede determinar el límite virtual en función de los comandos de posicionamiento.
Opcionalmente, el procesador puede configurarse para i) controlar el actuador, permitiendo el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico hacia el objetivo quirúrgico más allá del límite virtual, sujeto a un comando de posicionamiento que sea de un tipo seleccionado, y ii) actualizar el límite virtual basado en un nuevo posicionamiento más lejano del instrumento quirúrgico. Por ejemplo, ciertos tipos de comandos de posicionamiento pueden considerarse "seguros" y, por lo tanto, pueden hacer que el procesador, además de mover longitudinalmente el instrumento quirúrgico, también reposicione el límite virtual. Por ejemplo, los comandos de posicionamiento proporcionados utilizando una modalidad de entrada o modo de entrada en particular pueden considerarse como 'seguros' o 'más seguros' que los comandos de posicionamiento proporcionados utilizando otras modalidades de entrada o modos de entrada. Aquí, el término "posicionamiento más lejano" se refiere a un posicionamiento que el procesador considera que representa un posicionamiento más lejano de acuerdo con una función. La función puede definir un volumen virtual, con el posicionamiento del instrumento quirúrgico, determinado en base a, por ejemplo, los comandos de posicionamiento, determinando un tamaño del volumen virtual, y siendo el posicionamiento más lejano el que maximiza el tamaño del volumen virtual. El volumen virtual puede tener una geometría predeterminada, por ejemplo, correspondiente a la forma general de la estructura anatómica que comprende el objetivo quirúrgico.
Opcionalmente, el procesador puede configurarse para controlar el actuador para permitir siempre el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico alejándolo del objetivo quirúrgico. Tal movimiento longitudinal puede considerarse como 'seguro' y, por lo tanto, generalmente permitido.
Los expertos en la materia apreciarán que dos o más de las realizaciones, implementaciones y/o aspectos de la invención mencionados anteriormente pueden combinarse de cualquier manera que se considere útil.
Las modificaciones y variaciones del procedimiento y/o el producto del programa informático, que corresponden a las modificaciones y variaciones descritas del sistema robótico quirúrgico, pueden ser realizadas por un experto en la materia en base a la presente descripción.
La invención se define en las reivindicaciones independientes.
En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones ventajosas pero opcionales.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Éstos y otros aspectos de la invención son claros y se explicarán con referencia a las realizaciones que se describen a continuación. En los dibujos,
La figura 1 muestra una representación esquemática de un sistema robótico quirúrgico;
La figura 2 muestra un instrumento quirúrgico que pasa a través de un trocar durante una cirugía mínimamente invasiva, presentando el instrumento quirúrgico cuatro grados de libertad;
La figura 3 muestra un diagrama conjunto que ilustra la cinemática de una parte de brazo móvil de un brazo quirúrgico para uso en cirugía mínimamente invasiva;
La figura 4 muestra un diagrama conjunto que ilustra la cinemática de un controlador de movimiento;
la figura 5 muestra un diagrama conjunto que ilustra la cinemática de un brazo quirúrgico que tiene seis grados de libertad revolucionarios, lo que permite un centro de movimiento remoto y un movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico;
La figura 6 muestra un diagrama conjunto que ilustra la cinemática de un brazo quirúrgico en relación con un objetivo quirúrgico que puede estar situado en el exterior de un paciente;
La figura 7 muestra un límite virtual esférico que se determina en base a un posicionamiento más alejado del instrumento quirúrgico establecido por un operador humano durante la cirugía en una superficie del exterior de un paciente;
La figura 8 muestra la determinación de un límite virtual esférico en base a un posicionamiento más lejano del instrumento quirúrgico establecido por un operador humano durante una cirugía mínimamente invasiva en una cavidad de un órgano en el interior del paciente;
La figura 9 muestra un límite virtual plano;
La figura 10 ilustra el uso de un límite virtual esférico durante una cirugía ocular;
La figura 11 muestra el límite virtual determinado por un elipsoide que se ajusta a múltiples puntos de datos que representan las coordenadas de posicionamiento del instrumento;
La figura 12 ilustra un modelo numérico para el límite virtual que se obtiene mediante la conexión de múltiples puntos de datos;
La figura 13 muestra el movimiento del límite virtual por etapas de acuerdo con la invención;
La figura 14 muestra un controlador de movimiento que funciona en un modo de posicionamiento;
La figura 15 muestra un controlador de movimiento que funciona en un modo de velocidad;
La figura 16 ilustra el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico hacia el objetivo quirúrgico más allá del límite virtual que se deshabilita en el modo de velocidad;
La figura 17 muestra el límite virtual utilizándose en una función de escala;
La figura 18 muestra el límite virtual utilizándose en una función que determina la velocidad deseada del instrumento en un modo de velocidad del controlador de movimiento;
La figura 19 muestra el límite virtual utilizándose en un filtro de frecuencia;
La figura 20 muestra el instrumento quirúrgico retrayéndose cuando el movimiento no longitudinal del instrumento hace que el instrumento llegue al límite virtual;
La figura 21 muestra el límite virtual actualizándose o reemplazándose, en función de los datos del sensor que indican una distancia al objetivo quirúrgico;
La figura 22 muestra esquemáticamente un procedimiento para controlar un sistema robótico quirúrgico durante su uso en un procedimiento quirúrgico; y
La figura 23 muestra un producto de programa informático que comprende instrucciones para hacer que un sistema procesador realice el procedimiento.
Cabe señalar que los elementos que tienen los mismos números de referencia en diferentes figuras tienen las mismas características estructurales y las mismas funciones, o son las mismas señales. Si se ha explicado la función y/o la estructura de dicho elemento, no hay necesidad de una explicación repetida del mismo en la descripción detallada.
Lista de números de referencia
La siguiente lista de números de referencia se da para ayudar en la interpretación de los dibujos y no debe interpretarse como una limitación de las reivindicaciones.
020 Interfaz hombre-máquina
022 Comandos de posicionamiento
040 Procesador
042 Comandos de accionamiento
060 Actuador
062 Accionamiento del brazo quirúrgico
080 Brazo quirúrgico
082 Parte de brazo móvil
100 Sistema robótico quirúrgico
101 e i, eje de un sistema de coordenadas cartesianas
102 ey, eje de un sistema de coordenadas cartesianas
103 ez, eje de un sistema de coordenadas cartesianas
104 ex, eje del sistema de coordenadas fijado a la punta del instrumento, ortogonal al eje longitudinal del instrumento
105 ey, eje del sistema de coordenadas fijado a la punta del instrumento, ortogonal al eje longitudinal del instrumento
106 ez, eje de un sistema de coordenadas cartesianas, alineado con el eje longitudinal del instrumento
107 0, rotación de instrumento quirúrgico, desplazando lateralmente su punta
108 y/, rotación de instrumento quirúrgico, desplazando lateralmente su punta
109 z, traslación longitudinal de instrumento quirúrgico (a lo largo de su eje longitudinal), o dirección de penetración, o dirección de avance
1100, rotación de instrumento quirúrgico alrededor de su eje longitudinal
111 0, DoF rotacional de una parte de brazo móvil
112 y/, DoF rotacional de una parte de brazo móvil
113 Z, DoF traslacional de una parte de brazo móvil
1140, DoF rotacional de una parte de brazo móvil
115 0m, DoF rotacional de controlador de movimiento
116 i//m, DoF rotacional de controlador de movimiento
117 Z m, DoF traslacional de controlador de movimiento
1180 m, DoF rotacional de controlador de movimiento
119 Instrumento quirúrgico
120 Puntos de datos
121 Geometría algebraica para el límite virtual
122 Punta de instrumento quirúrgico
123 Objetivo quirúrgico
124 Trocar
125 Centro de movimiento remoto (RCM)
126 Botón en pinza de controlador de movimiento
127 Reposicionamiento, expansión o deformación del límite virtual
128 Radio R
129 Longitud L
130 0 = línea 0
131 Microscopio para visión a través de la pupila
132 Límite virtual
133 Límite virtual en instante ti
134 Límite virtual en instante t2
135 Límite virtual en instante t3
136 Punta del instrumento en instante ti
137 Punta del instrumento en el instante t2
138 Punta del instrumento en el instante t3
139 Zona A
140 Zona B
143 Zona B en el instante t2
146 Controlador de movimiento
147 Controlador de movimiento en instante ti
148 Controlador de movimiento en instante t2
149 Pinza del controlador de movimiento
151 Aumentar límite virtual con 50 jm utilizando pedal
152 Desplazamiento del controlador de movimiento Xm
153 Desplazamiento del instrumento quirúrgico xs
154 Límite del modo de velocidad
156 Espacio de trabajo del controlador de movimiento
157 Empuje del controlador de movimiento más allá del límite del modo de velocidad
158 Zona de modo sin velocidad
161 Retracción del instrumento quirúrgico; traslación longitudinal en dirección z negativa
162 Radio Ri en instante ti
163 Radio R2 en instante t2
164 Velocidad del instrumento quirúrgico vs
166 Distancia longitudinal al límite virtual
167 Función de escala 1 para a
168 Función de escala 2
169 Frecuencia de corte (Hz)
170 Instrumento de retracción en dirección z
171 Distancia longitudinal entre la punta del instrumento y el objetivo quirúrgico
172 Modelo numérico para el límite virtual
200 Un procedimiento para controlar un sistema robótico quirúrgico
210 Recibir comandos de posicionamiento
220 Determinación del límite virtual
230 Control de accionamiento
240 Accionamiento de la parte de brazo móvil
250 Código de programa no transitorio
260 Medio legible por ordenador
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES
La figura 1 muestra esquemáticamente un sistema robótico quirúrgico 100 para utilizarse en un procedimiento quirúrgico. El sistema robótico quirúrgico 100 comprende un brazo quirúrgico 080. El brazo quirúrgico 080 comprende una parte de brazo móvil 082, comprendiendo la parte de brazo móvil un conector de instrumento para el montaje de un instrumento quirúrgico 119. La figura 1 muestra el instrumento quirúrgico 119 montado en el conector de instrumento (por razones de simplicidad, el conector del instrumento no se muestra por separado en la figura 1). La parte de brazo móvil 082 tiene por lo menos un DoF para permitir el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico. Aquí, el movimiento longitudinal se refiere a un movimiento del instrumento quirúrgico 119 a lo largo de su eje longitudinal (por motivos de simplicidad, el eje longitudinal no se muestra por separado en la figura 1).
El sistema robótico quirúrgico 100 comprende, además, una interfaz hombre-máquina 020 para recibir órdenes de posicionamiento 022 de un operador humano para controlar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico. Ejemplos de interfaces hombre-máquina incluyen, entre otros, un teclado, un mouse, una superficie sensible al tacto, un joystick, un pedal. La interfaz hombre-máquina puede emplear cualquier modalidad de entrada adecuada, tal como contacto, acciones de empuje, comandos de voz, movimientos de los ojos, etc. El sistema robótico quirúrgico 100 comprende, además, un actuador 060 configurado y dispuesto para el accionamiento de la parte de brazo móvil para efectuar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico. El actuador 060 puede ser cualquier actuador adecuado, por ejemplo, del campo de los robots quirúrgicos, o del campo más general de los actuadores. En particular, el actuador puede ser uno de una pluralidad de actuadores que, juntos, realicen el accionamiento de la parte de brazo móvil 060 a lo largo de por lo menos un grado de libertad (DoF). Es decir, el sistema robótico quirúrgico 100 puede comprender una pluralidad de actuadores, por ejemplo, para realizar un accionamiento a lo largo de múltiples DoF. Como tal, se apreciará que cualquier referencia a una configuración del actuador 080 puede entenderse como una referencia a una configuración (conjunta) de dicha pluralidad de actuadores. La figura 1 muestra esquemáticamente el accionamiento del brazo quirúrgico 080, es decir, como una línea discontinua 062. Se observa que, aunque se muestra por separado del brazo quirúrgico 080, el actuador 060 puede estar integrado o ir montado en el brazo quirúrgico 080.
El sistema robótico quirúrgico 100 comprende, además, un procesador 040 configurado para controlar el actuador de acuerdo con los comandos de posicionamiento y un límite virtual. Para ello, se muestra que el procesador 040 recibe los comandos de posicionamiento 022 desde la interfaz hombre-máquina 020 y proporciona comandos de actuación 042 al actuador 060. Aquí, el límite virtual establece una transición en el control del movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico en una dirección hacia el objetivo quirúrgico. El procesador 040 puede determinar el límite virtual en base a los comandos de posicionamiento durante el funcionamiento del sistema robótico quirúrgico 100. Habiéndose determinado el límite virtual, el procesador controla el actuador para impedir el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico hacia el objetivo quirúrgico más allá del límite virtual. Sin embargo, son igualmente concebibles otros usos del límite virtual, que no forman parte de la invención, tal como se explicará con referencia a las figuras16-20.
La figura 2 muestra un instrumento quirúrgico 119 que pasa a través de un trocar 124 durante una cirugía mínimamente invasiva. Por ejemplo, en caso de cirugía laparoscópica, este trocar 124 puede colocarse en la pared abdominal o torácica, mientras que, en caso de cirugía vitreorretiniana, el trocar 124 puede colocarse en la esclerótica. Puede ser posible rotar y trasladar a través del trocar en cuatro grados de libertad, por ejemplo, las rotaciones $ 107, y 108, O 110 y la traslación z 109 para acercarse o penetrar un objetivo quirúrgico 123. Además, se muestra una punta 122 del instrumento quirúrgico 119 y tres ejes 104-106 de un sistema de coordenadas fijados a la punta del instrumento, con ez 106 alineado con el eje longitudinal del instrumento quirúrgico 119. Las rotaciones $ 107 y y 108 pueden resultar en un desplazamiento lateral de la punta del instrumento 122, respectivamente en la dirección ey 105 y en la dirección ex 104. La traslación z 109 puede resultar en un movimiento longitudinal de la punta del instrumento quirúrgico 122.
El sistema robótico quirúrgico puede utilizarse en un procedimiento mínimamente invasivo durante una cirugía mínimamente invasiva tal como uno de los tipos mencionados anteriormente. La figura 3 muestra un diagrama conjunto que ilustra la cinemática de una parte de brazo móvil de un brazo quirúrgico para utilizarse en una cirugía mínimamente invasiva de este tipo. En el ejemplo de la figura 3, el sistema robótico quirúrgico comprende un brazo quirúrgico, comprendiendo el brazo quirúrgico una parte de brazo móvil que tiene DoFs $ 111, y 112, Z 113 y © 114, que permiten los respectivos movimientos del instrumento 107-110, lo que da como resultado movimientos de la punta del instrumento quirúrgico 122. Los DoFs pueden disponerse de manera que haya un punto en el instrumento quirúrgico que no se mueva en el espacio, denominado centro de movimiento remoto (RCM) 125. Moviendo la base del brazo quirúrgico, la parte móvil del brazo puede colocarse de modo que su RCM 125 pueda colocarse en el trocar. Pueden disponerse respectivas unidades de accionamiento para efectuar el movimiento en los cuatro DoFs 111-114.
El sistema robótico quirúrgico puede comprender, además, una interfaz hombre-máquina para recibir órdenes de posicionamiento de un operador humano. La interfaz hombre-máquina puede comprender o estar constituida por un controlador de movimiento, tal como un joystick. La figura 4 muestra un diagrama conjunto que ilustra la cinemática de dicho controlador de movimiento. Aquí, se muestra que el controlador de movimiento tiene DoFs $m 115, ym 116, Zm 117 y ©m 118. El operador humano puede proporcionar comandos de posicionamiento, por ejemplo, sosteniendo el controlador de movimiento en una parte de agarre, pulsando el botón 126 y moviendo la parte de agarre del controlador de movimiento en el espacio 3D.
La figura 5 muestra un diagrama conjunto que ilustra la cinemática de un brazo quirúrgico que tiene seis grados de libertad de revolución, lo que permite la traslación longitudinal en movimiento z 109 del instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico 123. El sistema robótico quirúrgico puede comprender un brazo quirúrgico con una cinemática tal que sean posibles los mismos cuatro movimientos que los del controlador de movimiento que se muestra en la figura 4. No es necesario que estas cinemáticas contengan un DoF de traslación, sino que pueden consistir en 6 DoFs de rotación en el espacio 3D. El espacio 3D puede estar indicado por el eje del sistema de coordenadas 101-103. Aquí, los DoFs no están dispuestos de manera que un RCM esté restringido cinemáticamente como en la figura 3, sino que el procesador puede estar configurado para controlar los actuadores de tales 6 DoFs rotacionales para reflejar los mismos cuatro movimientos del controlador de movimiento, es decir, establecer un RCM limitado por software 125 y una traslación longitudinal z 109 del instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico 123. Además, el procesador puede configurarse para controlar el movimiento longitudinal 109 del instrumento quirúrgico de acuerdo con el límite virtual. Se apreciará que son posibles varias otras disposiciones cinemáticas para brazos quirúrgicos que permitan la traslación longitudinal de un instrumento quirúrgico, por ejemplo, que tengan otro número de DoFs, incorporando uniones de traslación, prismáticas, esféricas o cualquier otra unión, etc.
Tal como se muestra en la figura 6, el sistema robótico quirúrgico también puede comprender un brazo quirúrgico con una cinemática que permita el movimiento longitudinal 109 del instrumento quirúrgico, pero sin que los DoFs o el procesador estén dispuestos de manera que se restrinja un RCM. Este sistema robótico quirúrgico puede utilizarse en cirugía abierta, donde el instrumento se acerca a un objetivo quirúrgico 123 desde el exterior, por ejemplo, uno que se encuentre situado en una superficie del exterior de un paciente. Aquí, la cinemática del brazo quirúrgico en el espacio 3D se indica mediante el eje del sistema de coordenadas 101-103.
La figura 7 muestra un límite virtual esférico 132 que se determina en función de un posicionamiento más alejado del instrumento quirúrgico establecido por un operador humano. Aquí, el término posicionamiento más lejano se refiere a un posicionamiento que maximiza un volumen virtual que tiene un tamaño determinado por el posicionamiento del instrumento quirúrgico. Se observa que esta función puede ser una función lineal o no lineal. Ejemplos de una función lineal son escalar el posicionamiento más lejano, añadir un desplazamiento o establecer el límite virtual para que corresponda al posicionamiento más lejano. Un ejemplo de una función no lineal es restablecer el límite virtual a su ubicación original, por ejemplo, cuando el instrumento se aleja lo suficiente del objetivo quirúrgico.
Aquí, la parte móvil del brazo tiene una cinemática tal que el accionamiento puede ser posible en la dirección longitudinal 109, alineada con el eje longitudinal del instrumento quirúrgico, y en por lo menos dos direcciones no longitudinales, tal como $ 107. La traslación z 109 puede utilizarse para acercarse al objetivo quirúrgico 123 desde el exterior. La traslación z 109 también puede utilizarse para penetrar el objetivo quirúrgico 123 cuando el instrumento está en contacto con el objetivo quirúrgico 123 y, por lo tanto, puede ser más exigente en términos de precisión y estabilidad en comparación con $ 107. El procesador puede configurarse para establecer un límite virtual esférico 132 que tenga un radio R 128 y un centro en el RCM 125. El procesador puede configurarse para determinar el radio R 128 desde el posicionamiento más lejano del instrumento en la dirección longitudinal 109, por ejemplo, de todas las posiciones anteriores del instrumento. En caso de una nueva posición más lejana del instrumento quirúrgico establecida por el operador humano, el límite virtual puede ampliarse 127.
Adicional o alternativamente, el procesador puede configurarse para controlar el actuador, permitiendo el movimiento longitudinal 109 del instrumento quirúrgico hacia el objetivo quirúrgico 123 más allá del límite virtual, conforme a un comando de posicionamiento que sea de un tipo seleccionado, y actualizando 127 el límite virtual 132 en base a un nuevo posicionamiento más lejano. Como tal, el operador humano puede mover deliberadamente el instrumento quirúrgico más allá del límite virtual, es decir, proporcionando comandos de posicionamiento longitudinal adecuados en la dirección z positiva utilizando la interfaz hombre-máquina. Aquí, el término dirección z es una dirección a lo largo del eje longitudinal del instrumento quirúrgico, también indicado por el término dirección longitudinal, una dirección z positiva se refiere a una dirección hacia el objetivo quirúrgico 123, y una dirección z negativa a una dirección que se aleja de dicho objetivo. Dichos comandos de posicionamiento pueden proporcionarse separados de otros tipos de comandos de posicionamiento, por ejemplo, utilizando un modo de entrada diferente o una modalidad de entrada de la interfaz hombre-máquina. En particular, tales comandos de posicionamiento pueden ser de un tipo seleccionado que hagan que el límite virtual 132 se expanda aumentando el radio R 128.
La figura 8 es similar a la figura 7 pero ilustra el uso de un límite virtual esférico 132 con radio R 128, que se actualiza 127 en función de los comandos de posicionamiento durante la cirugía mínimamente invasiva en una cavidad de un órgano en el interior del paciente. Aquí, el instrumento quirúrgico se mueve en direcciones z 109 y $ 107, a través de la pared del órgano en el RCM 125, acercándose al interior de una cavidad en un órgano (hueco) como el objetivo quirúrgico 123.
Tal como se muestra en la figura 9, el límite virtual también puede ser un límite virtual plano 132 que se encuentra a una distancia L 129 y con una orientación previamente programada. El instrumento puede moverse en una dirección no longitudinal 107 y en una dirección longitudinal z 109 para acercarse al objetivo quirúrgico 123. El procesador puede configurarse para actualizar 127 la distancia L 129 de manera que todas las posiciones anteriores del instrumento se encuentren en el mismo lado del límite virtual plano 132 que el RCM 125.
Se observa que, además del límite virtual que tiene una forma plana o esférica, pueden utilizarse muchas otras superficies y formas como límite virtual. Además, el límite virtual puede utilizarse en combinación con cualquier disposición cinemática adecuada del brazo quirúrgico.
La figura 10 ilustra el uso de un límite virtual esférico durante una cirugía ocular. El instrumento quirúrgico puede moverse en una dirección longitudinal z 109 y en una dirección no longitudinal $ 107. Se utiliza un límite virtual esférico con su centro situado en la línea $ =130 y pasando a través del RCM 125. El procesador puede actualizar el radio del límite virtual esférico, de modo que el límite virtual esférico comprenda todas las posiciones anteriores de la punta del instrumento. Tal configuración puede utilizarse para cirugía en el interior de un órgano hueco, tal como cirugía ocular.
La figura 10 considera el caso en que el instrumento penetra la pared del ojo en el RCM 125. Bajo la responsabilidad del operador humano, el instrumento quirúrgico puede moverse, concretamente proporcionando comandos de posicionamiento adecuados a la interfaz hombre-máquina. La posición de la punta del instrumento en el instante ti 136 se encuentra en el límite virtual 133, que tiene un radio R1 en ti 162, y se mueve en una dirección longitudinal positiva z 109. Proporcionando comandos de posicionamiento de un tipo seleccionado, el límite virtual esférico 133 puede agrandarse 127 de modo que la punta del instrumento permanezca dentro del límite virtual esférico. En el instante t2, el operador humano puede confirmar visualmente, por ejemplo, utilizando un microscopio 131, que la punta del instrumento 137 está en contacto (estrecho) con el tejido en el interior del ojo. El operador humano puede no querer dañar este tejido 123 y, por lo tanto, no puede avanzar ni penetrar más. En consecuencia, el límite virtual esférico en el instante t2134 con radio R2 163 puede definir la zona A y la zona B 143 dentro del ojo. La posición de la punta del instrumento en el instante t3138 puede estar dentro de la zona A y, por lo tanto, el límite virtual 134, 135 puede no ser actualizado.
En general, el límite virtual puede establecerse bajo la responsabilidad y observación visual del operador humano. El procesador puede configurarse para procesar los comandos de posicionamiento en base a (la distancia a) este límite. Por ejemplo, la zona A puede tratarse como una región segura o una región de alto rendimiento dentro del ojo, mientras que la zona B puede tratarse como una región de baja velocidad y alta precisión cerca de un tejido delicado.
La figura 11 muestra el límite virtual determinado por un elipsoide que se ajusta a múltiples puntos de datos que representan las coordenadas de posicionamiento del instrumento. Tales coordenadas de posicionamiento del instrumento pueden representarse, directa o indirectamente, mediante los comandos de posicionamiento proporcionados por el operador humano. Como tal, el procesador puede configurarse para obtener puntos de datos que representan las coordenadas de posicionamiento del instrumento más lejano en una cuadrícula distribuida en el espacio. En las figuras anteriores, se utilizaron geometrías de bajo orden, tales como un plano o una esfera, para el límite virtual que define las zonas A y B. Sin embargo, también pueden utilizarse formas de orden superior, por ejemplo, cuando sea deseable describir con mayor precisión la geometría de un objetivo quirúrgico. Durante la cirugía, pueden obtenerse más puntos de datos, por ejemplo, cuando la punta del instrumento se mueve a una región diferente, bajo la responsabilidad y observación visual del operador humano. El instrumento quirúrgico puede entrar en el ojo en el RCM 125, por lo que las coordenadas (0,0,0) pueden estar disponibles como punto de datos. Utilizando estos puntos de datos, puede construirse un límite virtual, por ejemplo, basado en geometría algebraica o un modelo numérico. En el primer caso, los puntos de datos 120 pueden utilizarse para ajustar una geometría algebraica de orden superior para el límite virtual 121, en el espacio 3D 101-103. El algoritmo utilizado para el ajuste puede minimizar el volumen de la geometría mientras encierra todos los puntos de datos. Como tal, en el ejemplo de la figura 11, puede elegirse una geometría elipsoide, ya que puede describir la superficie interna del ojo mejor que una esfera.
Para ajustar una geometría algebraica de orden superior en un conjunto de puntos de datos, puede desearse una gran cantidad de puntos de datos. Sin embargo, en caso de un número insuficiente de puntos de datos, las suposiciones geométricas pueden no ser correctas y el algoritmo de ajuste puede encontrar dificultades numéricas. Como alternativa, puede obtenerse un modelo numérico para el límite virtual conectando múltiples puntos de datos, tal como se muestra en la figura 12. Es decir, los puntos de datos 120 pueden conectarse e interpolarse para obtener una superficie de forma libre en el espacio 3D 101-103. En caso de que la superficie interior del órgano no sea convexa, el volumen 172 (zona A) puede cruzar el volumen del objetivo quirúrgico 123 entre puntos de datos, cuando estos puntos de datos están conectados con líneas rectas. Para evitar dicha intersección, pueden utilizarse más puntos de datos en una cuadrícula más fina, pueden omitirse ciertos puntos de datos o pueden utilizarse arcos (curvados hacia adentro) para conectar los puntos de datos. A este respecto, se observa que se permite conectar el punto de datos que representa el RCM 125 a otros puntos de datos con una línea recta en caso de que el instrumento quirúrgico sea recto.
La figura 13 ilustra el movimiento o expansión del límite virtual en forma escalonada. Aquí, la parte de brazo móvil tiene la misma cinemática z 109 y $ 107 y un límite virtual esférico como en la figura 7, pero el límite virtual 133 puede expandirse incrementalmente, por ejemplo, con 50 pm 151, para obtener el nuevo límite virtual 134. Para ese fin, puede utilizarse un modo de entrada o modalidad de entrada diferente que para proporcionar los comandos de posicionamiento, por ejemplo, utilizando un pedal, un botón, una interfaz de pantalla táctil, etc. Esta propuesta de desplazar, expandir o deformar gradualmente el límite virtual, en relación con la posición, tamaño o forma del límite actual, de acuerdo con lo que se proporciona a través de la interfaz hombre-máquina, puede superponerse a la propuesta para determinar el límite virtual en función de los comandos de posicionamiento, por ejemplo, en función de un posicionamiento más lejano establecido por el operador humano. La interfaz hombre-máquina también puede permitir que el operador humano desplace el límite virtual respecto a la posición actual de la punta del instrumento, en lugar de respecto a la posición límite virtual actual. Por ejemplo, utilizando un botón de 'restablecer límite', el límite puede configurarse para que coincida con la ubicación actual de la punta del instrumento, o utilizando un segundo botón, el límite virtual puede configurarse a una distancia predefinida, por ejemplo, 1 mm, desde la punta del instrumento, en una dirección z 109 hacia o desde el objetivo quirúrgico 123.
Las figuras 14 y 15 se refieren a la interfaz hombre-máquina que comprende opcionalmente un controlador de movimiento que tiene por lo menos un DoF para permitir que el operador humano proporcione los comandos de posicionamiento operando el controlador de movimiento dentro de un espacio de trabajo. El controlador de movimiento puede funcionar en un modo de posicionamiento en el que los comandos de posicionamiento estén determinados por un desplazamiento del controlador de movimiento dentro del espacio de trabajo. El controlador de movimiento también puede funcionar en un modo de velocidad en el que se considere que el posicionamiento del controlador de movimiento dentro de una zona predeterminada dentro del espacio de trabajo indique una velocidad deseada, determinándose los comandos de posicionamiento de acuerdo con la velocidad deseada. Aquí, el controlador de movimiento puede tener un DoF de traslación Zm 117, alineado con el eje longitudinal, y DoFs no longitudinales, tales como $m 115 de la figura 4.
La figura 14 ilustra el modo de posicionamiento y la figura 15 el modo de velocidad.
En el modo de posicionamiento de la figura 14, el operador humano puede agarrar el controlador de movimiento 147 en la parte de agarre 149 y moverlo una distancia dentro de su espacio de trabajo, por ejemplo, desde la posición en el instante ti 147 hasta la posición en el instante t2 148. El comando de posicionamiento para el desplazamiento del instrumento quirúrgico Xs 153 puede determinarse por el desplazamiento del controlador de movimiento Xm 152, utilizando la relación Xs = axm, donde a es un factor de escala (variable). Esto puede resultar en un movimiento del instrumento desde la posición 136 hasta la posición 137 respecto al objetivo quirúrgico 123. En los procedimientos quirúrgicos, puede desearse una alta precisión, por ejemplo, a<<1
En el modo de velocidad de la figura 15, el controlador de movimiento 146 puede empujarse 157 más allá de un límite en su espacio de trabajo 156, denominado límite de modo de velocidad 154, para generar una velocidad deseada del instrumento quirúrgico vs 164. La velocidad puede ser una constante, o una función de la cantidad de desplazamiento más allá del límite del modo de velocidad 154. La velocidad también puede escalarse con el factor de escala (variable) a, similar al modo de posicionamiento. El comando de posicionamiento Xs para el instrumento quirúrgico 119 para una nueva muestra puede obtenerse mediante Xs = x s+ Vs ■ dT, donde x s es el comando de posicionamiento del ejemplo anterior, y dT es el tiempo entre muestras.
Se observa que, si el operador humano quiere mover la punta del instrumento una gran distancia en el modo de posicionamiento, especialmente en el caso de un factor de escala a pequeño, puede ser necesario que el operador humano desplace el controlador de movimiento 146 una distancia relativamente grande dentro del espacio de trabajo 156. Esto puede no ser posible debido al limitado tamaño del espacio de trabajo del controlador de movimiento 156. Además, el controlador de movimiento 146 puede no encontrarse en una posición cómoda para el operador humano cuando se mueve a posiciones exteriores a su espacio de trabajo 156. El operador humano puede desacoplar el enlace entre la parte de brazo móvil que sujeta el instrumento y el controlador de movimiento, por ejemplo, soltando el botón 126. En el modo desacoplado, el instrumento puede permanecer en una posición fija, mientras que el operador humano puede mover el controlador de movimiento libremente en su espacio de trabajo, por ejemplo, volver a una posición cómoda. En consecuencia, para cubrir grandes distancias en modo de posicionamiento, el operador humano puede utilizar la técnica de acoplamiento/desacoplamiento repetido: el operador humano mueve el controlador de movimiento en una dirección mientras se encuentra en modo acoplado (botón presionado) y en la otra dirección mientras se encuentra en modo desacoplado (botón soltado).
El modo de velocidad puede ser más adecuado para cubrir distancias más grandes. El instrumento quirúrgico puede moverse a una velocidad constante mientras el controlador de movimiento se mantiene estacionario en el límite del modo de velocidad 154. Por lo tanto, las ventajas del modo de velocidad pueden incluir una menor fatiga del usuario y una finalización más rápida de la tarea. Sin embargo, el modo de posicionamiento puede ser más seguro que el modo de velocidad, ya que el operador humano tiene que mover deliberadamente el controlador de movimiento para mover el instrumento quirúrgico. En consecuencia, el procesador puede considerar que los comandos de posicionamiento proporcionados en el modo de velocidad no son del tipo seleccionado para impedir el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico hacia el objetivo quirúrgico 123 más allá del límite virtual cuando el controlador de movimiento opera en el modo de velocidad. El procesador puede permitir o rechazar comandos proporcionados en el modo de posicionamiento o en el modo de velocidad, en función del límite virtual.
La figura 16 ilustra esta funcionalidad, con el instrumento quirúrgico moviéndose en z 109 y $ 107alrededor del RCM 125. Aquí, el límite virtual esférico 132 puede establecerse como una función lineal o no lineal de las posiciones anteriores más lejanas de la punta del instrumento en el instante ti. Esta función puede ser un pequeño desplazamiento en la dirección z negativa, por ejemplo, 2 mm. El instrumento en el instante t2137 puede encontrarse a una distancia longitudinal 166 del límite virtual. Cuando la punta del instrumento se mueve desde la zona A más allá de este límite virtual 132 hacia la zona B 140, los comandos de posicionamiento proporcionados en el modo de velocidad en la dirección z positiva pueden rechazarse para impedir el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico hacia el objetivo quirúrgico 123 mientras que, en la dirección z negativa, éstos pueden permitirse. Los comandos de posicionamiento proporcionados en el modo de posicionamiento pueden permitirse en la zona B 140. Esto puede ser beneficioso ya que la zona B 140 puede considerarse como una región peligrosa de baja velocidad cerca del tejido delicado; por lo tanto, el modo de posicionamiento puede ser más adecuado. Sin embargo, cuando la distancia 166 es mayor que cero, el operador humano puede utilizar el modo de velocidad para avanzar rápidamente hacia el límite virtual 132. De acuerdo con lo anterior, el instrumento quirúrgico puede detenerse automáticamente en el límite virtual 132, ya que el modo de velocidad puede no permitirse más allá del límite virtual.
Las figuras 17-19 se refieren a lo siguiente. El procesador puede configurarse para procesar los comandos de posicionamiento en base al límite virtual para obtener comandos de posicionamiento procesados y utilizar comandos de posicionamiento procesados para controlar el actuador. Por ejemplo, el procesamiento puede comprender uno o más del grupo de: aplicar una función de escala y aplicar un filtro de frecuencia a los comandos de posicionamiento. La figura 17 muestra el límite virtual que se utiliza en una función de escalado. Aquí, la distancia desde la punta del instrumento hasta el límite virtual 132 puede utilizarse como base de una función de escala para determinar el factor de escala de la posición a, por ejemplo, de la forma que se muestra en la figura 17. Esta función de escala para a 167 puede ser relativamente alta cuando la posición z 109 se encuentra entre el RCM 125 y el límite virtual 132, lo que resulta en movimientos rápidos del instrumento. Cuando la punta del instrumento pasa el límite virtual 132, puede producirse un paso en la escala, a un valor relativamente bajo para a , lo que da como resultado movimientos del instrumento más lentos y precisos. Alternativamente, puede implementarse una transición suave. Sin embargo, una ventaja de un paso puede ser que el operador humano se dé cuenta del paso del límite virtual 132, por ejemplo, al observar el movimiento repentino más lento del instrumento.
La figura 18 muestra el límite virtual que se utiliza en una función que determina la velocidad deseada del instrumento en un modo de velocidad del controlador de movimiento. Aquí se muestra otra función de escalado. Esta función de escalado 168 puede utilizarse para determinar la velocidad deseada del instrumento quirúrgico 164, en el modo de velocidad. De acuerdo con la función de escala, cuando la punta del instrumento no está profundamente dentro del ojo, la velocidad deseada es grande, lo que resulta en movimientos rápidos del instrumento quirúrgico. Al moverse en la dirección z 109 dentro del ojo, hacia el límite virtual 132, disminuye en función de la distancia 166. Cuando la punta del instrumento se mueve más allá del límite 132, se reduce en un gran paso.
La figura 19 muestra el límite virtual que se utiliza en un filtro de frecuencia. Aquí, se muestra otra función de escala, en función de la posición longitudinal z 109. Esta función puede utilizarse para determinar la frecuencia de corte 169 en un filtro de frecuencia que deja pasar bajas frecuencias y reduce la amplitud de las señales con frecuencias que superan esta frecuencia de corte 169. Este filtro de frecuencia puede aplicarse a la señal de entrada de movimiento Xm 152, proporcionada por el operador humano, a través del controlador de movimiento, para filtrar el temblor de la mano del operador humano. En el ejemplo de la figura 19, la frecuencia de corte 169 disminuye de 4 a 2 Hz, cuando el instrumento se acerca al límite virtual 132, dando como resultado movimientos del instrumento más suaves y lentos. Cuando la punta del instrumento pasa por el límite virtual 132, se produce una disminución del paso a 0,5 Hz, siendo un ajuste conveniente para cirugía delicada, por ejemplo, en la retina.
La figura 20 muestra el instrumento quirúrgico que se retrae en dirección longitudinal cuando el movimiento no longitudinal 107 del instrumento hace que el instrumento llegue al límite virtual. Aquí, el procesador puede configurarse de manera que la zona B 140 se considere como una zona bloqueada. Como tal, la penetración longitudinal del instrumento z 109 en la zona B 140 puede ser rechazada. El operador humano puede mover el instrumento libremente en la zona A, pero cuando el operador humano proporciona un comando de posicionamiento que daría como resultado un movimiento del instrumento más allá del límite virtual 132, los comandos de posicionamiento pueden procesarse de manera que el instrumento no pase el límite virtual. Este enfoque puede utilizarse para evitar daños accidentales en el tejido delicado 123. Sin embargo, al observar la punta del instrumento y el tejido delicado, por ejemplo, a través de un microscopio, el operador humano puede mover deliberadamente el límite virtual de manera incremental, por ejemplo, tal como se describe con referencia a la figura 13 presionando un pedal. Esto puede permitir que el operador humano avance con cuidado o penetre más en la dirección z, de una manera muy controlada y definida. Se observa que, en general, la interfaz hombre-máquina podría proporcionar medios para ignorar el límite virtual, por ejemplo, un modo de entrada específico o modalidad de entrada, y continuar con el posicionamiento libre del instrumento, incluyendo la penetración en la dirección z.
Sin embargo, tal como se muestra en la figura 20, el instrumento también puede moverse a la zona B mediante un movimiento 107 no longitudinal. En los casos en que el límite virtual es un plano o un contorno en 3D, el procesador puede configurarse para controlar el actuador retraer el instrumento quirúrgico haciendo que el instrumento quirúrgico llegue al plano o al contorno. En el ejemplo de la figura 20, la posición de la punta del instrumento en el instante ti 136 se encuentra en la zona A 139, pero se está moviendo hacia la zona B porque el operador humano está proporcionando comandos de posicionamiento en la dirección $ 107. Debido a que puede no permitirse el movimiento hacia la zona B, los comandos de posicionamiento para z pueden procesarse de manera que el instrumento pueda moverse a lo largo del límite virtual 132. Efectivamente, al retraer adecuadamente el instrumento quirúrgico, la posición de la punta del instrumento en el instante t2137 puede ser corregido en la dirección z a lo largo de una distancia 170, de modo que se evite el movimiento del instrumento quirúrgico en la zona B, hacia o más hacia el objetivo quirúrgico 123.
La figura 21 muestra el límite virtual que se reposiciona, se expande o se deforma, en base a datos del sensor que indican una distancia al objetivo quirúrgico. Aquí, el límite virtual 133 puede establecerse mediante un posicionamiento anterior más alejado de la punta del instrumento en el instante ti 136. Sin embargo, el límite virtual no coincide con el objetivo quirúrgico 123, siendo en este caso la retina en el interior de un ojo. Una razón para esto puede ser que el objetivo quirúrgico se haya girado, movido o deformado, o que la forma del límite virtual no represente correctamente la geometría del órgano. Sin embargo, el sistema robótico quirúrgico puede comprender un sensor dentro o fuera del ojo que mida la distancia longitudinal 171 entre la punta del instrumento 137 y el objetivo quirúrgico. El sensor puede obtener puntos de datos de medición, similares a los descritos con referencia a las figuras11 y 12. Los datos del sensor pueden utilizarse para actualizar el límite virtual de modo que el límite virtual en el instante t2 134 coincida con el objetivo quirúrgico 123. Esta actualización puede comprender reposicionamiento, expansión o deformación del límite virtual.
La distancia longitudinal 171 puede medirse indirectamente mediante un sensor fuera del ojo, tal como una cámara o un dispositivo de tomografía de coherencia óptica montado en un microscopio 131, con una vista del objetivo quirúrgico y la punta del instrumento quirúrgico 137, a través de la pupila. La medición indirecta también puede realizarse mediante un sensor en el ojo, montado en otro instrumento o colocado en el ojo por otros medios. La distancia longitudinal 171 también puede medirse directamente mediante un sensor añadido al instrumento quirúrgico y midiendo a lo largo de la dirección z 109. El sensor puede ser un sensor de distancia sin contacto que proporcione tomografía de coherencia óptica a través de una fibra óptica, integrado o adjunto al eje quirúrgico. Sin embargo, no se trata de una limitación, ya que también pueden utilizarse otros sensores de distancia sin contacto, por ejemplo, basados en otros principios ópticos, o sensores basados en principios acústicos o eléctricos. En general, dichos tipos de sensores de distancia pueden proporcionar una salida, es decir, datos del sensor, proporcional a la distancia en un determinado rango de posiciones.
Adicional o alternativamente, puede utilizarse un sensor de interruptor de proximidad. Aquí, la distancia 171 no se mide en un rango, sino que se detecta la presencia del objetivo quirúrgico dentro de un umbral de posición, por ejemplo, a una distancia de 0,1 mm. Si el umbral es 0 mm, el sensor actúa como un sensor de contacto/sin contacto. Las coordenadas de la punta del instrumento pueden ser ahora una medida de la posición del objetivo quirúrgico. Habiéndose obtenido estos datos del sensor, el procesador puede actualizar o reemplazar el límite virtual 132.
Se observa que, actualizando o reemplazando el límite virtual en base a los datos del sensor, pueden utilizarse más muestras que sólo la muestra actual de los datos del sensor. Es decir, debido al posible ruido e incertidumbre en estos datos, también pueden utilizarse muestras anteriores de datos del sensor y/o posiciones anteriores de la posición límite virtual. Por ejemplo, el límite virtual puede actualizarse utilizando un filtro de Kalman para tener en cuenta el ruido y la incertidumbre en los datos del sensor.
La figura 22 ilustra esquemáticamente un procedimiento no reivindicado 200 para controlar un sistema robótico quirúrgico durante el uso en un procedimiento quirúrgico, comprendiendo el sistema robótico quirúrgico un brazo quirúrgico, comprendiendo el brazo quirúrgico una parte de brazo móvil, comprendiendo la parte de brazo móvil un conector de instrumento para montar de un instrumento quirúrgico, presentando el instrumento quirúrgico un eje longitudinal, presentando la parte de brazo móvil por lo menos un DoF para permitir el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico a lo largo del eje longitudinal del instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico. El procedimiento 200 comprende, en una operación denominada "RECIBIR COMANDOS DE POSICIONAMIENTO", recibir 210 comandos de posicionamiento de un operador humano para controlar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico. El procedimiento 200 comprende, además, en una operación titulada "ACCIONAMIENTO DE LA PARTE DE BRAZO MÓVIL", accionar 240 la parte de brazo móvil para efectuar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico. El procedimiento 200 comprende, además, en una operación denominada "CONTROL DE ACCIONAMIENTO", controlar 230 dicha actuación de acuerdo con los comandos de posicionamiento y un límite virtual, estableciendo el límite virtual una transición en el control del movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico en una dirección hacia el objetivo quirúrgico. El procedimiento 200 comprende, además, en una operación titulada "DETERMINACIÓN d El LÍMITE VIRTUAL", durante el uso del sistema robótico quirúrgico en el procedimiento quirúrgico, determinar 220 el límite virtual en base a los comandos de posicionamiento. Se observa que las operaciones del procedimiento 200 pueden realizarse en cualquier orden adecuado. El procedimiento 200 puede realizarse iterativamente.
El procedimiento no de acuerdo con la invención puede implementarse en un procesador como un procedimiento implementado por ordenador, o en hardware dedicado, o en una combinación de ambos. El código ejecutable para un procedimiento no de acuerdo con la invención puede almacenarse en un producto de programa informático. Ejemplos de productos de programa informático incluyen dispositivos de memoria, dispositivos de almacenamiento óptico, circuitos integrados, servidores, software en línea, etc. La figura 23 muestra un producto de programa informático en forma de medio legible por ordenador 260 que comprende un código de programa no transitorio 250 para hacer que un procesador lleve a cabo un procedimiento no de acuerdo con la invención cuando dicho código de programa se ejecuta en el procesador.
En una realización preferida, el programa informático comprende medios de código de programa informático adaptados para realizar todas las etapas de un procedimiento no de acuerdo con la invención cuando el programa informático es ejecutado por un procesador. Preferiblemente, el programa informático está incorporado en un medio legible por ordenador.
Cabe señalar que las realizaciones mencionadas anteriormente ilustran en lugar de limitar la invención, y que los expertos en la materia podrán diseñar muchas realizaciones alternativas.
En las reivindicaciones, cualquier signo de referencia en paréntesis no se interpretará como una limitación de la reivindicación.
El uso del verbo "comprender" y sus conjugaciones no excluye la presencia de elementos o etapas distintos a los señalados en una reivindicación o cláusula. El artículo "un" o "una" que precede a un elemento no excluye la presencia de una pluralidad de tales elementos. La invención puede implementarse por medio de un hardware que comprenda varios elementos distintos, y por medio de un ordenador adecuadamente programado. En la reivindicación de dispositivo que enumera varios medios, varios de estos medios pueden estar representados por un mismo elemento de hardware.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Sistema robótico quirúrgico (100) para utilizarse en un procedimiento quirúrgico, que comprende:
- un brazo quirúrgico (080) que comprende una parte de brazo móvil (082), comprendiendo la parte de brazo móvil un conector de instrumento para el montaje de un instrumento quirúrgico (119), presentando el instrumento quirúrgico un eje longitudinal (106), presentando la parte de brazo móvil por lo menos un grado de libertad para permitir el movimiento longitudinal (109) del instrumento quirúrgico a lo largo del eje longitudinal del instrumento quirúrgico hacia un objetivo quirúrgico (123);
- una interfaz hombre-máquina (020) para recibir, utilizando una primera modalidad de entrada o modo de entrada de la interfaz hombre-máquina, órdenes de posicionamiento (022) de un operador humano para controlar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico;
- un actuador (060) configurado y dispuesto para accionar la parte de brazo móvil para efectuar el movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico;
- un procesador (040) configurado para controlar el actuador de acuerdo con los comandos de posicionamiento y un límite virtual (132-135), estableciendo el límite virtual una transición en el control del movimiento longitudinal del instrumento quirúrgico en una dirección hacia el quirúrgico objetivo, en el que el procesador está configurado para controlar el actuador para impedir el movimiento longitudinal (109) del instrumento quirúrgico (119) hacia el objetivo quirúrgico (123) más allá del límite virtual, y en el que el procesador está configurado, además, para, determinar, durante el funcionamiento, el límite virtual en base a los comandos de posicionamiento;
caracterizado por el hecho de que la interfaz hombre-máquina comprende otra modalidad de entrada o modo de entrada que, cuando la utiliza el operador humano durante el procedimiento quirúrgico, provoca:
- que el límite virtual se establezca para que coincida con una ubicación actual de la punta del instrumento, o se encuentre a una distancia predefinida de la misma, según indiquen los comandos de posicionamiento; y - que el límite virtual se desplace o se expanda de manera incremental respecto a un límite virtual actual.
2. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la interfaz hombre-máquina comprende un botón para dicho establecimiento del límite virtual y un pedal para dicho desplazamiento o expansión incremental del límite virtual.
3. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2 y configurado para cirugía ocular, caracterizado por el hecho de que el límite virtual es esférico o elipsoide.
4. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el procesador (040) está configurado para determinar el límite virtual (132-135) en función de un posicionamiento más lejano del instrumento quirúrgico (119) establecido por el operador humano.
5. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el procesador (040) está configurado para i) controlar el actuador (060), permitiendo el movimiento longitudinal (109) del instrumento quirúrgico (119) hacia el objetivo quirúrgico (123) más allá del límite virtual, sujeto a un comando de posicionamiento que sea de un tipo seleccionado, y ii) actualizar el límite virtual (132-135) en base a un nuevo posicionamiento más lejano.
6. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que la interfaz hombre-máquina (020) está configurada para permitir que el operador humano proporcione el comando de posicionamiento del tipo seleccionado en separación de otros tipos de comandos de posicionamiento.
7. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que la interfaz hombre-máquina (020) comprende diferentes modalidades de entrada o diferentes modos de entrada para permitir que el operador humano proporcione el comando de posicionamiento del tipo seleccionado en separación de los otros tipos de comandos de posicionamiento (022) operando diferentes modalidades de entrada o utilizando diferentes modos de entrada.
8. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por el hecho de que la interfaz hombre-máquina (020) comprende un controlador de movimiento (146) que tiene por lo menos un grado de libertad para permitir que el operador humano proporcione los comandos de posicionamiento operando el controlador de movimiento dentro de un espacio de trabajo (156), pudiendo operar el controlador de movimiento en:
- un modo de posicionamiento en el que los comandos de posicionamiento están determinados por un desplazamiento (152) del controlador de movimiento dentro del espacio de trabajo; y/o
- un modo de velocidad en el que se considera que un posicionamiento del controlador de movimiento dentro de una zona predeterminada dentro del espacio de trabajo indica una velocidad deseada, determinándose los comandos de posicionamiento de acuerdo con la velocidad deseada;
y en el que los comandos de posicionamiento proporcionados en el modo de velocidad no son del tipo seleccionado para impedir el movimiento longitudinal (109) del instrumento quirúrgico (119) hacia el objetivo quirúrgico (123) más allá del límite virtual cuando el controlador de movimiento opera en el modo de velocidad.
9. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el procesador (040) está configurado para i) procesar los comandos de posicionamiento (022) en función del límite virtual (132-135) para obtener comandos de posicionamiento procesados, y ii) utilizar comandos de posicionamiento procesados para controlar el actuador (060).
10. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que el procesamiento comprende uno o más del grupo de: aplicar una función de escala (167, 168) y aplicar un filtro de frecuencia (169), a los comandos de posicionamiento.
11. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el límite virtual (132-135) es un plano o contorno en un espacio físico tridimensional, y en el que el procesador (040) está configurado para controlar el actuador (060) para retraer (170) el instrumento quirúrgico (119) cuando el movimiento no longitudinal del instrumento quirúrgico hace que el instrumento quirúrgico llegue al plano o al contorno.
12. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el instrumento quirúrgico (119) comprende un sensor para proporcionar datos del sensor, siendo los datos del sensor indicativos de una distancia (171) entre una punta (122) del instrumento quirúrgico (119) y una estructura anatómica (123), y en el que el procesador (040) está configurado para determinar el límite virtual (132-135) en base, además, a los datos del sensor.
13. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por el hecho de que el procesador (040) está configurado para actualizar o reemplazar el límite virtual (132-135) en función de la distancia (171) a la estructura anatómica (123) de acuerdo con lo indicado por los datos del sensor.
14. Sistema robótico quirúrgico (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el procesador (040) está configurado para controlar el actuador (060) para permitir siempre un movimiento longitudinal (161) del instrumento quirúrgico (119) alejándose del objetivo quirúrgico (123).
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