IT201900005894A1 - EasyLap, sistema robotico per laparoscopia mono e multi accesso che utilizza principalmente strumentazione tradizionale già presente negli ospedali - Google Patents

Description

Easy-Lap, un sistema robotico per laparoscopia mono e multi accesso che utilizza principalmente strumentazione tradizionale già presente negli ospedali.

Da Vinci di Intuitive Surgical di Mountain View (CA) è un robot laparoscopico molto noto, che consente interventi chirurgici laparoscopici di alta classe, ma è molto costoso, richiede l'uso di strumenti proprietari, anche molto costosi, ed è piuttosto difficile da gestire. La conseguenza è che in Europa, ad eccezione dell'Italia, il che dovrebbe essere spiegato, non è ampiamente utilizzato. La con WO 2014/028557 A1, ha già introdotto una tabella a bracci multipli che però non usa strumentazione già esistente, mentre l'idea di questo sistema, anche se non chiaramente esposta, era già presente sul sito web di

Scopo della presente domanda di brevetto è la descrizione di un robot laparoscopico a 5 bracci che può essere controllato da un solo operatore usando solo due joystick, più i pulsanti per passare il controllo ai due strumenti rimanenti, mentre il braccio centrale, che muove l'ottica, punta sempre la punta dello strumento in uso. Inoltre lo strumento viene sempre spostato nella direzione in cui il joystick viene spostato come visto sul monitor. Vengono utilizzate due diverse configurazioni di braccia, una con cinque giunti attivi, che muove l'adattatore dello strumento, che a sua volta permette almeno un ulteriore grado di libertà (la rotazione dello strumento attorno al proprio asse), più l'attuazione dello strumento, che può avere da uno a tre gradi di attuazione. La seconda configurazione invece è utilizzata solo per il braccio che regge l'ottica, con quattro gradi di libertà azionati più due solo misurati. Tutti questi robot presentano una configurazione auto bilanciata passivamente e la possibilità di collegare / scollegare i motori dai giunti. Alla fine è presente l'attuatore dello strumento che può essere precaricato con lo strumento desiderato, tra cui anche un nuovo strumento, caratterizzato da una pinza intercambiabile e la capacità di ruotare la direzione della pinza rispetto all'asse dello strumento, essendo anche in grado di ruotare attorno al proprio asse mantenendo la curvatura permettendo così di ruotare il piano di apertura della pinza.

I cinque bracci sono montati su un carrello che può essere spostato sopra il tavolo operatorio, circondando l'addome del paziente. Tutti i robot presentano giunti prismatici auto bilanciati, caratterizzati dalla presenza di un contrappeso che si muove in opposizione sullo stesso giunto prismatico, mentre tutti i motori possono essere collegati e scollegati dal giunto.

Per iniziare l'operazione, prima tutti gli strumenti devono essere installati sul loro attuatore e questi fissati al robot, quindi i trocar devono essere posizionati sul paziente e il carrello deve essere spostato sul tavolo. A questo punto, uno alla volta, ogni strumento deve essere portato sul rispettivo trocar e introdotto in modo che la punta dello strumento sia posizionata in corrispondenza della superficie della pelle del paziente. Ciò è necessario in quanto ciò consentirà, all'inizio, di conoscere esattamente le coordinate, nel sistema di riferimento del robot, di ciascun punto di ingresso nell'addome del paziente, punto che dovrà essere tenuto fisso durante l'intervento, mentre si spostano gli strumenti facendo perno su questo. Questo processo sarà effettuato con tutti i motori scollegati. Poiché il sistema è completamente calibrato e ogni giunto è controllato da un encoder sempre connesso, il robot conosce sempre la posizione di ogni strumento, e per questo motivo è sempre in grado di puntare l'ottica verso la regione in cui è presente la punta dello strumento che viene spostato dal medico, puntando a metà strada se due strumenti vengono spostati nel frattempo. In ogni caso il medico sarà sempre in grado di ruotare l'ottica e variare la sua profondità di penetrazione usando due apposite manopole.

Il sistema, per il quale ogni strumento, inclusa l'ottica, è sempre associato a un quaternione di riferimento che definisce completamente la posizione e l'orientamento nel sistema di riferimento del robot, è anche in grado di spostare gli strumenti sullo schermo esattamente nella direzione in cui il medico muove il joystick, e perciò si chiama EasyLap.

Infine, dato il costo relativamente basso della consolle di controllo, sarà possibile avere una seconda consolle sulla quale un secondo medico, solitamente più esperto, seguirà l'operazione e potrà prenderne il controllo in caso di necessità, il che sarà anche molto utile per l’addestramento.

Descrizione della realizzazione preferita.

Tavola 1 mostra la struttura di uno dei quattro bracci che reggono gli strumenti chirurgici di questo robot, che deriva da un precedenti brevetti dello stesso gruppo di ricerca, EP05778744.2 e IT............ ..). La struttura è sospesa a un telaio, che ospita anche i motori del primo giunto, non mostrati nella figura. Ciascun giunto rotazionale è dotato di un encoder assoluto a 16 bit, mentre i motori del primo, terzo, quarto e quinto giunto presentano anche un gruppo riduttore. Il primo giunto (1), rotazionale, presenta un asse verticale, mentre il secondo giunto (2), anch'esso con asse verticale, è prismatico e dotato di encoder assoluti multi-giro o di incrementali lineari, mentre gli assi dello snodo rotazionale (3) e del giunto (4) sono mantenuti verticali e paralleli. Infine il giunto (5) presenta un asse orizzontale. Si noti inoltre che, grazie alla soluzione adottata, il giunto (3) consente quasi 360 gradi di rotazione attorno al proprio asse. I motori degli ultimi tre giunti sono ospitati dalla piattaforma posizionata sulla slitta verticale del secondo giunto, movimento trasmesso tramite pulegge e cinghie. Inoltre, sensori di forza e coppia sono posizionati sull'effettore di estremità di ciascun braccio (6), dove un connettore rapido consente di cambiare rapidamente gli attuatori degli strumenti (7), con connettori sia meccanici che elettronici, per sostituirli con uno diverso. Gli ultimi due gradi di libertà sono prodotti alla fine di due alberi concentrici comandati da pulegge interne alle braccia, quindi non visibili. Infine (8) è il motore che muove le slitte verticali, non visibili, su due rotaie, di cui è visibile solo una (9), utilizzando pulegge (10) e cinghie (11) poste in alto.

Tavola 2 presenta una vista laterale della doppia slitta che ospita il robot su un lato, e il contrappeso sull'altro, necessaria per compensare passivamente il peso del robot. Al centro la barra cava squadrata su cui sono fissate le due guide su cui si muovono le slitte che, fissate alle due piattaforme (12), ospitano i motori (13) delle ultime tre articolazioni del robot, e (14), il contrappeso, libero di scorrere verticalmente comandato da una cinghia mossa da un motore mostrato in Tavola 1, sempre provvisto di meccanismo di attacco e di stacco, posto sulla parte superiore, attraverso le pulegge. Tuttavia, la cinghia non è caricata dal peso delle piattaforme, il cui movimento di compensazione del peso è controllato da un ingranaggio disposto centralmente (15) che ingrana con due dentiere fissate alle piattaforme (16). Sullo stesso ingranaggio è montato l'encoder assoluto multi giro (17) che consente misurazioni precise della posizione. Sul supporto superiore è inoltre posizionato il motore, anch'esso in grado di accoppiare e disaccoppiare la trasmissione, che guida il movimento verticale dell'intero sistema di scorrimento.

Il quinto robot, Tavola 3, che regge l'ottica, presenta invece una configurazione cartesiana, con asse x e y orizzontale (18) e (19) e mosso da una cinghia azionata da un motore, sempre staccabile, mentre la posizione lineare è registrata da un encoder multi-giro (20) che misura la rotazione della puleggia o incrementale lineare, quanto all'asse z, ha una configurazione simile al secondo giunto degli altri quattro bracci, mentre il quarto giunto attivo è rotativo con asse verticale (21), ed infine gli ultimi due i giunti sono gli assi di un giunto di Cardano (22) assistito da encoder, che preserva tuttavia il polso sferico. Si noti che anche in questo caso tutti i motori possono essere scollegati da tutti i giunti del robot.

Tavola 4 mostra il sistema per collegare e scollegare i motori dal giunto. Questi (23) sono montati su una slitta, non visibile nello schizzo perché dietro al motore di accoppiamento e scollegamento, ma viaggiano su due aste parallele (24), e sono collegati a un tipo di ingranaggio conico maschio (25) che viene inserito e disinnestato in una ruota conica femmina (26), che viene quindi collegata all'asse del giunto e quindi all'encoder. Il motore è collegato e scollegato ruotando una vite senza fine (27) azionata da un motore sottostante (28). Si noti che, poiché la posizione angolare del giunto è nota al momento della disconnessione del motore, questa nuova posizione sarà anche nota quando dovrebbe essere richiesto di ricollegare il motore. Dato che il numero di denti delle due coppie coniche è chiaramente noto, sarà possibile calcolare la rotazione del motore necessaria per far si che le dentature delle ruote siano perfettamente allineate, senza che il collegamento del motore possa far muovere il robot. Ovviamente, questo è vero se l'unità motore / riduttore ha una possibilità di controllo della posizione simile a quella dell'encoder. Si noti inoltre che il fatto di essere in grado di staccare e riattaccare i motori è essenziale per la sicurezza. Sarà infatti possibile realizzare un circuito di controllo alternativo, indipendente dal controllo del computer, che, premendo un pulsante di emergenza, permetta la disconnessione di tutti i motori.

Come accennato in precedenza, il robot che regge gli strumenti presenta solo 5 gradi di libertà controllati, poiché il sesto appartiene all'adattatore dello strumento, che consente di ruotare gli strumenti attorno al proprio asse.

Tavola 5 mostra lo schema della configurazione dell'attuatore dello strumento. Notiamo la presenza di due motori, uno per ruotare la cannula dello strumento (29), l'altro (30) collegato a una ruota elicoidale (31) per attivare la maniglia (32) che chiude la pinza. L'attuazione è eseguita da motori passo-passo, con 200 passi e un controllore passo-passo. L'attuatore è diviso in due componenti, uno, sterilizzabile (33), che contiene lo strumento, un altro non sterilizzabile (34), contiene i motori, posti in parallelo, e un sensore di forza (35). La rotazione dello stelo dello strumento è ottenuta utilizzando una coppia di ingranaggi conici appositamente progettati (36), azionati da una trasmissione flessibile (37). Come si può notare, entrambi i motori sono posizionati dietro lo strumento e allineati al suo asse, con le maniglie rivolte verso il robot. In questo modo il sistema sarà ben bilanciato e lo spazio sottratto dall'adattatore dello strumento rispetto all'uso manuale sarà estremamente ridotto.

Tavola 6 mostra l'immagine di un nuovo adattatore per strumento sterilizzabile a quattro gradi di attuazione (anch'esso mostrato) in cui viene utilizzato il primo grado di libertà per ruotare la cannula rispetto al suo corpo, mentre gli altri tre sono dedicati alla movimentazione ed attuazione dello strumento. Anche questo adattatore è diviso in due componenti, uno che ospita lo strumento (38), è sterilizzabile, il secondo, contenente il motore e l'elettronica (39), non sterilizzabile (40), ma dovrebbe essere coperto da apposite coperture sterili. In questo caso lo strumento mostrato è una singola pinza con forcipe intercambiabile e punta flessibile. Come si può vedere, i quattro motori (41) sono disposti allineati, con assi perpendicolari alla cannula dello strumento, ognuno dei quali regge un ingranaggio conico (42), che si ingrana con un ingranaggio conico (43) che circonda la cannula presentando i denti su entrambi lato, assumendo una configurazione a doppio cono. La seconda faccia della stessa coppia di ingranaggi conici, in tre casi su quattro (non per la rotazione della cannula), ingrana con un terzo ingranaggio conico (44) che può ruotare senza disturbare l'ingranaggio conico collegato al motore. Questi ingranaggi conici trasmettono i comandi ai tre gradi di attuazione dello strumento. Tornando allo strumento, la possibilità di flettere l'ultima parte dello strumento è dovuta alla presenza di una serie di elementi (45) di forma particolare che, grazie a quattro fili posizionati internamente, possono ruotare come la punta di un endoscopio. Questo chiaramente non è nuovo, ciò che è nuovo è il fatto che questo strumento può ruotare attorno al proprio asse mantenendo la configurazione piegata per modificare il piano d'azione della pinza. In questo caso mentre uno dei quattro motori sarà responsabile della rotazione della cannula dello strumento, un secondo responsabile dell'azionamento del forcipe, gli ultimi due saranno incaricati di controllare il movimento dei fili all'interno della porzione flessibile del strumento per consentire di ruotare attorno al proprio asse mantenendo la sua configurazione piegata. Si noti inoltre che delle tre coppie coniche che trasmettono i comandi allo strumento, due sono parallele, mentre una è perpendicolare al piano in cui poggiano le altre due, e ciò avviene poiché i quattro fili che controllano il movimento della punta lavorano su due piani perpendicolari. In particolare, poiché i fili che controllano la flessione della punta variano la loro lunghezza quando la configurazione cambia, il tamburo che comanda questa variazione è diviso in due parti (46) e (47) divise da una molla torsionale, in modo da mantenere sempre la tensione dei cavi. Si noti inoltre che le pinze non sono mostrate, poiché sono già sul mercato, essendo mostrato solo il connettore per le pinze monouso (48).

L'altro strumento a quattro parametri, il SAL Twin Forceps di PCT / IT2013 / 00052 che utilizza lo stesso schema precedentemente mostrato, consente di tenere il corpo fuori dalla regione chirurgica, che è particolarmente importante se devono essere eseguiti interventi chirurgici di accesso singolo. In particolare si noti che anche SAL Twin Forceps ha solo tre controlli, il quarto motore consente di ruotare lo strumento attorno al proprio asse. Naturalmente, per ottenere questa rotazione, è necessario ruotare tutti i motori rimanenti alla stessa velocità nella stessa direzione, in modo che la posizione di ciascun comando sia mantenuta fissa.

Infine, Tavola 7 mostra l'intera configurazione del robot, con solo robot per i vari strumenti, più il terzo che tiene l'ottica, tutti appesi a una struttura sospesa sopra il tavolo operatorio da due colonne laterali. Il sistema è progettato per cinque bracci, ma nel disegno ne sono stati messi solo tre per

ridurre la complessità del modello CAD.

Claims (1)

1. Rivendicazioni. 1. Sistema robotico a bracci multipli per laparoscopia, montato su un carrello che può essere spostato sopra il tavolo operatorio, avente ciascun braccio cinque gradi di libertà controllati e attivati, eccettuato il braccio che regge l'ottica che ha quattro gradi di libertà controllati e attivati, con gli ultimi due solo controllati, essendo possibile collegare e scollegare tutti i motori, tale sistema utilizzando principalmente strumenti convenzionali già disponibili in ospedale, in ogni caso riutilizzabili e sterilizzabili, o monouso a basso costo, in cui ogni braccio è auto-bilanciato passivamente come descritto in seguito, è dotato di sensore di forza e ciascun membro finale è dotato di connettori rapidi elettromeccanici che trasmettono alimentazione e un bus per trasmettere i comandi ai motori utilizzati per attivare i vari gradi di libertà dello strumento chirurgico e ruotarlo attorno al proprio asse, essendo questo il sesto grado di libertà di ogni robot operatorio, i motori e la relativa scheda di controllo sono montati sull'attuatore progettato per lo strumento particolare, essendo tutti gli strumenti chirurgici posizionati perpendicolarmente all'asse del membro finale del robot, al fine di mantenere i bracci posizionati in direzione radiale per evitare conflitti con gli altri bracci; 2. sistema robotizzato a bracci multipli per laparoscopia secondo la rivendicazione 1, in cui la sequenza di vincoli del singolo braccio operatorio è: 1° giunto, asse rotazionale verticale, 2° giunto, articolazione prismatica verticale controbilanciata da un peso in movimento in direzione opposta a quella del corpo principale del robot, controllata da un pignone centrale che ingrana con due cremagliere fissate una ai rimanenti bracci del robot e l’altra al contrappeso, in modo sia di assicurarne il bilanciamento dei carichi che l’assorbimento del peso stesso delle strutture in moto, 3° asse verticale, 4° asse verticale, 5° asse orizzontale, in cui in tutti i giunti è presente o un gruppo motore-riduttore che un encoder assoluto, sostituito da un encoder assoluto multigiro o incrementale lineare sul giunto verticale, essendo il motore dedicato al primo grado di libertà posizionato sul supporto superiore, quello dedicato alla movimentazione verticale in cima alla doppia slitta, mentre i rimanenti motori del robot sono ospitato sulla piattaforma posizionata sulla slitta, essendo il movimento trasmesso ai quattro ultimi giunti tramite cinghie o catene; 3. sistema robotizzato a bracci multipli per laparoscopia secondo la rivendicazione 1, in cui il robot che sostiene l'ottica è di tipo cartesiano con movimento rilevato da encoder multi-giro, con azionamento con sistema di cinghia e puleggia o incrementale lineare, il terzo, ancora prismatico ma verticale, del tutto simile al secondo snodo degli altri quattro robot, essendo passivamente auto-bilanciati, e il quarto, rotatorio con asse verticale, viene mosso da un gruppo motoriduttore e un encoder assoluto, mentre il 5 ° e il 6 ° giunti non sono guidati ma solo dotati di encoder assoluto; 4. sistema robotizzato a bracci multipli per laparoscopia secondo la rivendicazione 1, in cui gli attuatori degli strumenti chirurgici hanno due o quattro gradi di libertà a seconda che debba essere azionato uno strumento chirurgico convenzionale, oppure uno nuovo con tre gradi di controllo, il quarto essendo dedicato alla rotazione attorno al proprio asse dello strumento; 5. sistema robotizzato a bracci multipli per laparoscopia secondo la rivendicazione 1, in cui gli strumenti che hanno tre gradi di libertà come la doppia pinza per monoaccesso per laparoscopia, con pinze intercambiabili, sono modificati in modo da essere controllati attraverso quattro motori, uno dei quali consente per ruotare l'intero strumento sul proprio asse e gli altri tre controllano i tre gradi di movimento dello strumento; 6. sistema robotizzato a bracci multipli per laparoscopia secondo la rivendicazione 1, in cui è disponibile un nuovo utensile multiuso avente tre gradi di libertà in grado di orientare il taglio delle forbici nei tre piani, utilizzando una struttura a più segmenti per la punta, dotato di pinze intercambiabili; 7. sistema robotizzato a bracci multipli per laparoscopia secondo la rivendicazione 1, in cui il controllo di tutta la strumentazione è possibile ad un medico attraverso l'uso di due joystick assistiti da un numero di pulsanti e cursori, essendo il medico in grado di selezionare lo strumento controllato semplicemente premendo il pulsante corrispondente, mentre l'ottica segue automaticamente i movimenti del medico; 8. 7. sistema robotizzato a bracci multipli per laparoscopia secondo la rivendicazione 1, in cui l'utensile si muove sullo schermo sempre nella direzione verso cui il medico orienta il joystick a causa del software interno, che conosce sempre la posizione e l'orientamento di tutti gli strumenti, compresa l'ottica, quindi è in grado di calcolare la direzione richiesta; 9. sistema robotizzato a bracci multipli per laparoscopia secondo la rivendicazione 1, in cui è prevista una seconda consolle di controllo su cui un secondo medico, solitamente più esperto, sarà in grado di assumere il controllo dell'intervento in caso di necessità.