IT202100003416A1

IT202100003416A1 - Metodo per rilevare, sulla base di misura o rilevazione di accelerazioni, anomalie operative di un dispositivo master non vincolato di un sistema robotico di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica

Info

Publication number: IT202100003416A1
Application number: IT102021000003416A
Authority: IT
Inventors: Emanuele Ruffaldi; Massimiliano Simi
Original assignee: Medical Microinstruments Inc
Priority date: 2021-02-16
Filing date: 2021-02-16
Publication date: 2022-08-16
Also published as: CN117580532A; CA3207740A1; AU2022222506A1; BR112023016434A2; WO2022175802A1; US20240133916A1; KR20230160260A; EP4294310A1; US20240230707A9; JP2024506670A

Description

?Metodo per rilevare, sulla base di misura o rilevazione di accelerazioni, anomalie operative di un dispositivo master non vincolato di un sistema robotico di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica?

DESCRIZIONE

SFONDO TECNOLOGICO DELL?INVENZIONE

Campo di applicazione.

La presente invenzione riguarda un metodo per rilevare anomalie operative di un dispositivo master non vincolato di un sistema robotico di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica, e un corrispondente sistema robotico di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica equipaggiato in modo da eseguire il suddetto metodo.

Descrizione dell?arte nota.

Nel contesto della chirurgia robotica teleoperata, in presenza di sistemi robotici di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica, ? molto importante valutare in tempo reale se il dispositivo master che impartisce il movimento allo slave ? ben funzionante e opera nelle condizioni previste, atte a garantire efficacia d?azione e sicurezza per il paziente, ed ? altres? importante verificare in tempo reale che il dispositivo master non stia operando in condizioni o situazioni anomale.

Questa esigenza ? sentita sia nell?ambito di dispositivi master con interfaccia non vincolata, rilevata magneticamente o otticamente, sia nell?ambito di dispositivi master con interfaccia meccanicamente vincolata.

Nell?ambito di dispositivi master non meccanicamente vincolati (recentemente emerso come una soluzione efficace e vantaggiosa, come ad esempio mostrato nei documenti WO-2019-220407, WO-2019-220408 e WO-2019-220409 della medesima Richiedente) la suddetta esigenza pone sfide tecniche complesse.

In particolare, in un sistema robotico masterslave, in cui il master non ? meccanicamente vincolato n? ? motorizzato, occorre prevenire la trasmissione allo strumento chirurgico (o micro-chirurgico) del dispositivo slave di comandi non intenzionali, derivanti da una situazione operativa incontrollata del dispositivo master, per evitare rischi per il paziente. Esempi di soluzioni di questo tipo munite di master non vincolato sono mostrati dai documenti US-2011-118748, in cui il master viene indossato dal chirurgo, e WO-2020-0092170, in cui il corpo del master ha una forma sostanzialmente ovoidale.

I sistemi robotici noti di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica, con master non meccanicamente vincolato, non forniscono soluzioni pienamente soddisfacenti alle suddette esigenze, specialmente tenendo conto dei requisiti di sicurezza molto stringenti che derivano dal fatto che ogni anomalia di funzionamento o condizione del dispositivo master pu? individuare conseguenti anomalie nell?operazione del dispositivo slave e dello strumento chirurgico ad esso associato, destinato ad agire sul paziente, con possibili conseguenze anche gravi sul paziente.

Pertanto, in tale ambito ? fortemente sentita l?esigenza di operare procedure di verifica in tempo reale di eventuali condizioni operative anomale del dispositivo master, condotte automaticamente dal sistema di controllo del robot per teleoperazione medica o chirurgica, che siano efficienti e affidabili, al fine di soddisfare gli stringenti requisiti di sicurezza che sono richiesti da tali applicazioni.

SOMMARIO DELL?INVENZIONE

? scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo per rilevare anomalie operative di un dispositivo master di un sistema robotico di tipo masterslave per teleoperazione medica o chirurgica, che consenta di ovviare almeno parzialmente agli inconvenienti qui sopra lamentati con riferimento alla tecnica nota, e di rispondere alle summenzionate esigenze particolarmente avvertite nel settore tecnico considerato. Tale scopo ? raggiunto mediante un metodo in accordo alla rivendicazione 1.

Ulteriori forme di realizzazione di tale metodo sono definite dalle rivendicazioni 2-21.

? altres? scopo della presente invenzione quello di fornire un sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica equipaggiato per effettuare il suddetto metodo di rilevazione di anomalie.

Tale scopo ? raggiunto mediante un sistema in accordo alla rivendicazione 23.

Un altro scopo della presente invenzione ? quello di fornire un metodo per gestire anomalie riscontrate in un dispositivo master comprendente lo svolgimento del suddetto metodo per la rilevazione di anomalie del dispositivo master. Tale metodo ? definito dalla rivendicazione 22.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del sistema e del metodo secondo l?invenzione risulteranno dalla descrizione di seguito riportata di esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle annesse figure, in cui:

- le figure 1 e 2(a)-2(b) illustrano parametri geometrici e sistemi di riferimento usati nel metodo della presente invenzione, applicato ad una forma di realizzazione del dispositivo master con struttura ?a pinza?;

- la figura 3 illustra parametri geometrici e sistemi di riferimento usati nel metodo della presente invenzione, applicato ad una forma di realizzazione del dispositivo master con struttura ?a penna?;

- le figure 4 e 4bis illustrano schematicamente un sistema di chirurgia teleoperata, secondo alcune forme di realizzazione;

- la figura 4ter mostra schematicamente una porzione di un sistema di chirurgia teleoperata, secondo una forma di realizzazione;

- le figure 5-8 mostrano schematicamente alcune anomalie rilevabili mediante alcune forme di realizzazione del metodo.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alle figure 1-8, viene descritto un metodo per individuare e riconoscere e/o discriminare almeno una condizione di anomalia nell?uso di un dispositivo master impugnabile, destinato ad essere sostenuto in mano dall?operatore, e meccanicamente non meccanicamente non vincolato a terra, utilizzato per il controllo di un sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica.

Tale metodo comprende le fasi di rilevare e/o calcolare, mediante uno o pi? sensori, il vettore accelerazione di almeno un punto appartenente o solidale al dispositivo master, oppure di un punto virtuale associato univocamente e rigidamente al dispositivo master; e quindi individuare e riconoscere e/o discriminare almeno una condizione di anomalia rilevabile sulla base di almeno una componente o del modulo del suddetto vettore accelerazione rilevato e/o calcolato.

Le suddette anomalie rilevabili comprendono almeno una tra le seguenti: caduta involontaria del dispositivo master e/o eccessiva accelerazione del dispositivo master e/o apertura improvvisa ed involontaria del dispositivo master.

Inoltre, ciascuna delle anomalie rilevabili ? associata ad almeno un cambio di stato del sistema da effettuarsi in caso di rilevazione dell?anomalia.

Secondo un?opzione implementativa del metodo, il suddetto cambio di stato del sistema, da effettuarsi in caso di rilevazione di una anomalia, comprende l?uscita dalla teleoperazione.

Secondo un?opzione implementativa, la fase di individuare comprende individuare l?almeno una condizione di anomalia rilevabile sulla base di almeno una componente del suddetto vettore accelerazione rilevato e/o calcolato.

Secondo un?opzione implementativa, la fase di individuare comprende individuare l?almeno una condizione di anomalia rilevabile sulla base del modulo del suddetto vettore accelerazione rilevato e/o calcolato.

In accordo con una forma di realizzazione, il metodo comprende l?ulteriore fase di misurare e/o rilevare, mediante uno o pi? sensori, il vettore posizione del detto almeno un punto appartenente o solidale al dispositivo master e dell?evoluzione nel tempo di tale vettore posizione.

In tal caso, la fase di rilevare e/o calcolare detto vettore accelerazione comprende rilevare e/o calcolare il vettore accelerazione sulla base dell?evoluzione nel tempo del rispettivo vettore posizione misurato e/o rilevato.

Secondo un?opzione implementativa di tale forma di realizzazione, la suddetta fase di rilevare e calcolare il vettore accelerazione comprende calcolare il vettore accelerazione mediante finestre mobili di N campioni del vettore che rappresenta l?evoluzione nel tempo del vettore posizione, e mediante interpolazione con polinomi del secondo ordine, per il grado di libert? relativo alla presa, e con polinomi del terzo ordine, per i gradi di libert? relativi a traslazione e orientazione del dispositivo master.

Secondo un?altra opzione implementativa di tale forma di realizzazione, la suddetta fase di rilevare e calcolare il vettore accelerazione comprende calcolare il vettore accelerazione mediante un filtro predittivo di tipo Kalman che utilizza un modello di movimento con dinamica randomica dell?accelerazione atto a stimare lo stato della posizione del dispositivo master correggendo la stima sulla base di informazioni fornite dal sistema di misura. Tale modello ? di preferenza parametrizzato nel suo rumore di processo, e nel rumore delle misure.

Secondo un?ulteriore opzione implementativa di tale forma di realizzazione, che combina un approccio predittivo con quello dello ?smoothing? con ritardo, il metodo considera una finestra di N campioni, predice in avanti fino alla fine della finestra e poi corregge la predizione nel passato fino al punto al centro della finestra.

La soluzione basata su filtro di Kalman, rispetto alla opzione di fitting polinomiale, ha la potenzialit? di adattarsi a valori diversi del rumore delle osservazioni, ma pu? essere soggetta ad un tempo di adattamento del filtro ai valori di ingresso.

In accordo con un?opzione implementativa, l?accelerazione ? calcolata sulla base del rilevamento del vettore velocit? e della sua evoluzione temporale.

Secondo un?opzione implementativa, l?accelerazione ? direttamente rilevata mediante uno o pi? sensori, in cui tali uno o pi? sensori sono accelerometri.

Secondo diverse possibili forme di realizzazione del metodo, come base per la rilevazione delle anomalie, per ognuno dei suddetti almeno un punto appartenente o solidale al dispositivo master, o punto virtuale associato univocamente e rigidamente al dispositivo master, vengono calcolate o rilevate l?accelerazione lineare e/o l?accelerazione angolare e/o la velocit? lineare e/o la velocit? angolare e/o la posizione rispetto in coordinate cartesiane e/o la posizione in coordinate polari o angolari.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, la suddetta fase di rilevare e/o calcolare il vettore accelerazione comprende rilevare e/o calcolare mediante almeno due sensori il vettore accelerazione di ciascuno di almeno due punti appartenenti o solidali al dispositivo master; e poi calcolare il vettore accelerazione di un punto virtuale associato univocamente e rigidamente al dispositivo master, corrispondente al punto medio tra i punti in cui sono collocati i sensori.

Ad esempio, in un dispositivo master ?a pinza?, tale punto medio pu? essere individuato sull?arco di circonferenza di apertura descritto dall?uno o pi? sensori del dispositivo master ?a pinza?.

Se vi ? un solo punto di controllo, si possono rilevare 6 gradi di libert?, 3 di posizione e 3 di orientazione.

Se sono previsti due punti di controllo, si riesce a rilevare anche un settimo grado di libert?, associato alla presa, o ?grip?, rappresentativo dell?angolo di apertura/chiusura del corpo del dispositivo master.

In accordo con una forma di realizzazione, il metodo viene eseguito nel contesto di un sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica comprendente i suddetti dispositivo master e dispositivo slave, e comprendente inoltre una unit? di controllo.

Il dispositivo master ? meccanicamente non collegato a terra e idoneo per essere tenuto in mano da un chirurgo durante un intervento chirurgico, ed ? configurato per rilevare un comando manuale del chirurgo e generare un rispettivo primo segnale elettrico di comando.

L?almeno un assieme robotico slave comprende almeno uno strumento chirurgico slave configurato per operare sull?anatomia di un paziente, in maniera controllata dal dispositivo master.

L?unit? di controllo, dotata di elaboratore elettronico, ? configurata per ricevere il suddetto primo segnale elettrico di comando dal dispositivo master, generare un secondo segnale elettrico di comando, sulla base del primo segnale elettrico di comando, e fornire il secondo segnale elettrico di comando all?assieme robotico slave, per attuare l?almeno uno strumento chirurgico slave.

Inoltre, l?unit? di controllo ? operativamente collegata ai suddetti uno o pi? sensori per ricevere almeno un terzo segnale elettrico rappresentativo del vettore accelerazione rilevato e/o misurato e/o della relativa evoluzione temporale, ed ? configurata per eseguire le suddette fasi di calcolare e di individuare almeno un?anomalia rilevabile.

Secondo un?opzione implementativa, il suddetto terzo segnale elettrico corrisponde al suddetto primo segnale elettrico.

Secondo una forma di realizzazione del metodo, la suddetta fase di misurare e/o rilevare viene eseguita rispetto ad un sistema di coordinate di riferimento associato al sistema robotico per chirurgia teleoperata, ed avente assi predefiniti e origine in un punto prestabilito.

Ad esempio, viene definita una terna fissa di coordinate cartesiane x, y, z, avente un?origine O in un punto prestabilito.

In particolare, secondo una forma di realizzazione del metodo, in cui il sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica comprende una consolle operativa, il suddetto sistema di coordinate di riferimento ? solidale con la consolle di sistema robotico.

In una forma realizzativa del metodo, tale consolle operativa comprendente almeno una sedia chirurgica comprendente almeno una superficie di seduta affinch? il chirurgo si sieda su di essa durante l?intervento chirurgico, il suddetto sistema di coordinate di riferimento ? solidale o con la suddetta almeno una sedia chirurgica, ad esempio con la seduta della sedia chirurgica. Il sistema di coordinate di riferimento pu? essere solidale con un supporto alla seduta della sedia chirurgica, la seduta essendo girevole rispetto al supporto alla seduta.

Secondo un?opzione realizzativa, il sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica comprende un sistema di tracking, idoneo per rilevare posizione e orientamento del dispositivo master di input all?interno di un volume di tracking predefinito, in modo che l?attuazione dello strumento chirurgico slave dipenda dal comando manuale impartito dal chirurgo mediante il dispositivo master e/o dalla posizione e orientamento del dispositivo master all?interno del volume di tracking.

In una opzione realizzativa del metodo, la suddetta consolle operativa comprendente almeno un display che visualizza lo spazio di lavoro slave.

La consolle operativa pu? essere una consolle remota rispetto al dispositivo slave, oppure pu? essere una consolle che si trova nella stanza operatoria insieme al dispositivo slave.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, la suddetta fase di misurare e/o rilevare viene effettuata mediante uno o pi? sensori magnetici.

Ciascuno dei sensori magnetici ? disposto in corrispondenza di un rispettivo degli almeno un punto appartenente o solidale al dispositivo master, ed ? configurato per rilevare un valore locale di un campo magnetico generato da un generatore di campo magnetico vincolato ad una parte del sistema robotico per chirurgia teleoperata.

In tal caso, il sistema di coordinate di riferimento ha l?origine in corrispondenza del suddetto emettitore magnetico, e tre assi ortogonali x, y, z.

Secondo un?opzione implementativa, il suddetto generatore di campo magnetico appartiene a tale sistema di tracking.

In accordo con un?altra forma di realizzazione del metodo, la suddetta fase di misurare e/o rilevare viene effettuata mediante almeno un sensore ottico o telecamera, associato e/o vincolato al sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica. Possono essere previste pi? telecamere in configurazione stereoscopica.

In tal caso, il suddetto sistema di coordinate di riferimento ? un sistema di coordinate di riferimento interno del sensore ottico o telecamera.

Secondo diverse possibili opzioni implementative della forma di realizzazione qui sopra illustrata, il suddetto almeno un sensore ottico o telecamera ? vincolato e/o solidale alla sedia chirurgica, e/o ? montato su un supporto indossabile dal chirurgo, in modo da essere solidale con il chirurgo.

Secondo una forma di realizzazione del metodo, in cui il dispositivo master ? un dispositivo master impugnabile e non vincolato, comprendente due parti rigide vincolate a ruotare o traslare relativamente in un rispetto ad un asse comune, la suddetta fase di rilevare e/o calcolare comprende rilevare e/o calcolare, mediante rispettivi sensori, il vettore accelerazione e/o l?evoluzione nel tempo del vettore accelerazione, di almeno due punti rilevabili, un primo punto appartenente o solidale ad una delle suddette parti rigide del dispositivo master e un secondo punto appartenente o solidale all?altra delle suddette parti rigide del dispositivo.

Il metodo si pu? infatti applicare, ad esempio, ad un dispositivo master con struttura ?a pinza? (illustrato ad esempio nelle figure 1 e 2) avente due parti rigide vincolate, elasticamente, a ruotare rispetto ad un asse comune trasversale, ortogonale all?estensione longitudinale di almeno una (o di entrambe) le suddette parti rigide del dispositivo master.

Il metodo si pu? anche applicare, ad esempio, ad un dispositivo master con struttura ?a penna?, avente due parti rigide vincolate, elasticamente, a traslare lungo un asse longitudinale coincidente con l?estensione longitudinale di almeno una (o di entrambe) le suddette parti del dispositivo master.

Secondo diverse possibili forme di realizzazione del metodo, la suddetta fase di calcolare comprende calcolare il vettore accelerazione e/o il vettore velocit? di detti almeno due punti rilevabili, oppure calcolare il vettore accelerazione e/o il vettore velocit? di uno dei suddetti almeno due punti rilevati.

Secondo ulteriori opzioni implementative, la suddetta fase di calcolare comprende inoltre calcolare il vettore accelerazione e/o il vettore velocit? e/o il vettore posizione di almeno uno dei seguenti ulteriori punti: punto medio tra detti due punti rilevati e/o baricentro di detto dispositivo master, e/o di un giunto rotoidale di dispositivo master, e/o di un giunto prismatico di dispositivo master.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, in cui il corpo del dispositivo master comprende due punte o estremit? libere, una prima punta o estremit? libera appartenente o solidale ad una delle parti rigide del dispositivo master e una seconda punta o estremit? libera appartenente o solidale all?altra delle parti rigide del dispositivo, i suddetti due punti rilevabili corrispondono e/o sono associati ad una rispettiva delle suddette due punte o estremit? libere del dispositivo master.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, in cui l?anomalia che pu? essere rilevata ? una caduta involontaria del dispositivo master, il metodo comprende le seguenti fasi:

- rilevare e/o calcolare la componente verticale, parallela all?asse di gravit?, della accelerazione ay di almeno uno dei due punti rilevati;

- confrontare la componente verticale dell?accelerazione ay, rilevata o calcolata, con una soglia di accelerazione verticale ay_thr;

- individuare l?anomalia associata alla caduta involontaria del dispositivo master se la suddetta componente verticale dell?accelerazione ay ? maggiore della suddetta soglia di accelerazione verticale (ay_thr), secondo la relazione: ay > ay_thr.

In accordo con un?opzione implementativa il valore di soglia di accelerazione verticale ay_thr ? pari all?accelerazione di gravit? g, oppure ? un valore nell?intorno di g (ad esempio, l?80% di g).

Secondo un?opzione implementativa, viene calcolato il vettore accelerazione di ciascuno dei suddetti almeno due punti di rilevazione del dispositivo master per fornire ridondanza e/o un ulteriore verifica.

Infatti, la coerenza della misura calcolata di accelerazione dei suddetti almeno due punti consente di rafforzare la stima della determinazione di anomalia, riducendo inoltre la finestra temporale necessaria al processo di stima.

Un?incoerenza della misura calcolata di accelerazione dei due punti pu? essere associata ad una caduta con rotazione del dispositivo master, ovvero alla rottura dei vincoli rigidi tra i due sensori.

Nello specifico caso di montaggio di due sensori in una stessa parte meccanica del dispositivo master, il comportamento delle misure ? di pura ridondanza.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, in cui l?anomalia che pu? essere rilevata ? un?eccessiva accelerazione del dispositivo master (ad esempio, impartita nella movimentazione dall?utente utilizzatore), il metodo comprende le seguenti fasi:

- rilevare e/o calcolare il modulo del vettore accelerazione atot di almeno uno dei suddetti almeno due punti rilevati;

- confrontare il modulo del vettore accelerazione atot rilevato e/o calcolato con una soglia di accelerazione totale atot_thr;

- individuare l?anomalia associata a un?eccessiva accelerazione del dispositivo master se il suddetto modulo del vettore accelerazione atot ? maggiore della suddetta soglia di accelerazione totale atot_thr, secondo la relazione: atot > atot_thr.

Secondo un?opzione implementativa, la suddetta soglia di accelerazione verticale ay_thr ? minore di detta soglia di accelerazione totale atot_thr.

Ad esempio, pu? essere stabilita la relazione: atot = 3 ? ay.

In accordo con un?opzione implementativa, il valore di soglia di accelerazione totale atot_thr (in modulo) appartiene all?intervallo compreso tra 2g e 5g.

Secondo una forma di realizzazione, vengono calcolate le accelerazioni di entrambi i punti di rilevazione del dispositivo master.

Secondo diverse possibili opzioni implementative di tale forma di realizzazione, la condizione di trigger di allarme viene sollevata se almeno uno dei suddetti punti rilevati supera l?accelerazione di soglia, oppure se il punto medio virtuale supera l?accelerazione di soglia, oppure se l?accelerazione relativa tra i suddetti due punti ? sopra soglia.

Secondo un?opzione implementativa, la suddetta soglia di accelerazione totale atot_thr viene definita in modo da crescere con il decrescere del fattore di scala del moto tra dispositivo master e dispositivo slave, e/o con il decrescere di un fattore di scala selezionato dall?utente ed applicato al movimento teleoperato Master-Slave.

Secondo un esempio applicativo, in ambito di microchirurgia robotizzata, il fattore di scala pu? essere definito in un intervallo tra 5x e 20x. Ovviamente, maggiore ? tale fattore di scala (ad esempio), il movimento dello slave ? scalato 20 volte), pi? ? alta la soglia di trigger cos? da consentire movimenti accelerati.

Ad esempio, sia atot_thr1 la soglia scelta per un fattore di scala S1, e sia T il tempo impiegato dal sistema a riconoscere l?accelerazione e pertanto ad interrompere la teleoperazione. In tal caso si accetta uno spostamento non controllato massimo dello slave pari a D = ? S1 atot_thr1 T<2>. Allora per il fattore di scala S2, ponendo uguale la distanza percorsa D e tempo T si ottiene che atot_thr2 = atot_thr1 S1/S2.

Si noti che, in una tipica opzione implementativa, il fattore di scala pu? essere impostato dall?utente a seconda delle circostanze specifiche, e pu? essere variato reimpostato dall?utente anche durante la movimentazione dello slave.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, in cui il dispositivo master ? composto da due parti rigide mutualmente connesse in un giunto elastico che tende ad aprire almeno angolarmente tali parti quando non premute o tenute saldamente in mano dall?utente, l?anomalia che pu? essere rilevata ? una apertura involontaria del dispositivo master. Tale situazione pu? accadere, in particolare, se il chirurgo perde il controllo, ad esempio perch? il dispositivo master gli ? sfuggito dalle mani, e il dispositivo master, cadendo, si apre a scatto per effetto della molla del giunto.

In tal caso, il metodo comprende le seguenti fasi: - rilevare e/o calcolare il vettore accelerazione (come gi? precedentemente illustrato) e/o la rispettiva evoluzione temporale di ciascuno dei due punti rilevabili;

- calcolare la accelerazione angolare di apertura ? delle due parti rigide del dispositivo master, sulla base dei suddetti vettori accelerazione rilevati e/o calcolati;

- confrontare la accelerazione angolare di apertura ? calcolata con una velocit? angolare di soglia ?_thr che dipende dalla rigidezza elastica del giunto elastico;

- individuare la condizione di anomalia associata ad una apertura involontaria del dispositivo master se la suddetta accelerazione angolare di apertura ? calcolata ? maggiore della suddetta accelerazione angolare di soglia (?_thr), secondo la relazione ? > ?_thr.

In accordo con un?opzione implementativa, il valore di accelerazione angolare di soglia ?_thr dipende dalla rigidezza elastica della molla associata al giunto elastico e decresce con il crescere del grado di apertura tra le parti rigide.

Secondo altre opzioni implementative, le suddette fasi di calcolare, confrontare e individuare vengono effettuate non sulla accelerazione angolare, ma sulla velocit? angolare, o sulla velocit? lineare.

Ad esempio, secondo un?altra opzione implementativa, sempre riferita al caso in cui il dispositivo master ? composto da due parti rigide mutualmente connesse in un giunto elastico che tende ad aprire almeno angolarmente tali parti quando non premute o tenute saldamente in mano dall?utente, e l?anomalia che pu? essere rilevata ? una apertura involontaria del dispositivo master, il metodo comprende le seguenti fasi:

- rilevare il vettore posizione e la rispettiva evoluzione temporale di ciascuno dei due punti rilevabili;

- calcolare l?evoluzione temporale della distanza tra i suddetti due punti rilevabili, sulla base dell?evoluzione temporale dei vettori posizione rilevati;

-calcolare la velocit? lineare di apertura v del dispositivo master, sulla base dell?evoluzione temporale della suddetta distanza;

- confrontare la velocit? lineare di apertura v calcolata con una velocit? lineare di soglia v_thr;

- individuare la suddetta condizione di anomalia se v > v_thr.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, in cui il dispositivo master presenta due parti rigide vincolate, elasticamente, a traslare lungo un asse longitudinale coincidente con l?estensione longitudinale di almeno una delle suddette parti del dispositivo master, il metodo comprende le seguenti fasi:

- rilevare e/o calcolare il vettore accelerazione e/o la rispettiva evoluzione temporale di ciascuno dei due punti rilevabili;

- calcolare l?accelerazione lineare di allontanamento/avvicinamento delle due parti rigide del dispositivo master, sulla base dei suddetti vettori accelerazione rilevati e/o calcolati;

- confrontare l?accelerazione lineare di allontanamento/avvicinamento calcolata con una velocit? lineare di soglia che dipende dalla rigidezza elastica del vincolo;

- individuare la condizione di anomalia associata ad una apertura involontaria del dispositivo master se l?accelerazione lineare di allontanamento/avvicinamento calcolata ? maggiore dell?accelerazione lineare di soglia.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, le suddette anomalie di caduta involontaria del dispositivo master, di eccessiva accelerazione del dispositivo master e di apertura improvvisa ed involontaria del dispositivo master vengono tutte rilevate, e nello stesso tempo.

Tale forma di realizzazione consente di ottenere uno spettro di controlli ampio, mirando alla massima sicurezza possibile.

Secondo un?opzione implementativa preferita, la rilevazione delle suddette anomalie di caduta involontaria del dispositivo master, di eccessiva accelerazione del dispositivo master e di apertura improvvisa ed involontaria del dispositivo master sono subordinate all?ulteriore vincolo che il dispositivo master si trovi all?interno di un volume di lavoro predeterminabile assegnato al dispositivo master. Tale volume di lavoro pu? essere definito in modo che sia posizionato intorno alla posizione assunta da chirurgo durante la teleoperazione.

Secondo una forma di realizzazione, il metodo comprende l?ulteriore fase di rilevare la posizione di almeno un punto appartenente o solidale al dispositivo master. In tal caso, pu? essere rilevata l?ulteriore anomalia associata alla rilevazione di posizionamento del dispositivo master al di fuori di limiti consentiti, attraverso un confronto della posizione rilevata di almeno un punto appartenente o solidale al dispositivo master rispetto ad una superficie limite, nel sistema di riferimento assoluto X, Y, Z.

Tale superficie limite ?, in diverse possibili opzioni implementative, una sfera o una scatola (parallelepipedo), o in generale un politopo ovvero l?intersezione convessa di semispazi.

? pure compreso nella presente invenzione un metodo per gestire anomalie riscontrate in un dispositivo master di un sistema robotico master-slave per teleoperazione chirurgica o medica.

Tale metodo prevede di eseguire un metodo per individuare e riconoscere e/o discriminare almeno una condizione di anomalia secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione precedentemente descritte.

Tale metodo prevede inoltre, se viene determinata almeno una qualunque delle suddette anomalie, la fase di interrompere immediatamente la teleoperazione e i movimenti dello strumento chirurgico (o ?end-effector?) del dispositivo slave, a salvaguardia della sicurezza del paziente.

? inoltre compreso nella presente invenzione un sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica comprendente almeno un dispositivo master, almeno un dispositivo slave, e un?unit? di controllo.

L?almeno un dispositivo master ? meccanicamente non collegato a terra e idoneo per essere tenuto a mano da un chirurgo durante un intervento chirurgico, ed ? configurato per rilevare un comando manuale del chirurgo e generare un rispettivo primo segnale elettrico di comando.

L?almeno un dispositivo slave, o assieme robotico slave, comprende almeno uno strumento chirurgico slave configurato per operare sull?anatomia di un paziente, in maniera controllata dal rispettivo almeno un dispositivo master.

L?unit? di controllo ? inoltre configurata per eseguire un metodo per individuare e riconoscere e/o discriminare almeno una condizione di anomalia secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione precedentemente illustrate.

Secondo un?opzione implementativa, l?unit? di controllo ? inoltre configurata per eseguire un metodo per gestire anomalie riscontrate secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione del metodo per gestire anomalie precedentemente illustrate.

In un?opzione implementativa del sistema, il corpo del dispositivo master comprende sedi per ricevere gli uno o pi? sensori in rispettive posizioni predeterminabili.

Secondo una forma realizzativa del sistema, il corpo del dispositivo master ? monouso (?disposable?) e quindi tipicamente in plastica.

Secondo un?altra forma realizzativa del sistema, il corpo del dispositivo master ? in metallo (ad esempio in Titanio) ed ? sterilizzabile.

Con riferimento alle figure 1-8, verranno qui di seguito ulteriormente dettagliate, a titolo esemplificativo e non limitativo, alcune forme di realizzazione del metodo, gi? precedentemente definite in termini pi? generali.

I controlli di anomalie del dispositivo master vengono introdotti nel Sistema robotico per teleoperazione in modo da intervenire con il minimo di latenza rispetto al movimento effettivo.

In un esempio implementativo, la sequenza di azioni operative svolte prevede una acquisizione di informazioni su tutti i gradi di libert? di movimento del dispositivo master, ad esempio in termini di accelerazione; quindi, il filtraggio dei segnali ottenuto; la valutazione di uno o pi? controlli di anomalia sul master; la rilevazioni di eventuali guasti o anomalie del dispositivo master, sulla base dei controlli effettuati; la comunicazione con l?unit? di controllo degli stati della macchina del sistema robotico, con l?interfaccia d?utente UI e con i punti terminali del dispositivo slave.

Verranno qui di seguito forniti, a titolo esemplificativo e non limitativo, alcuni dettagli ulteriori sui controlli di anomalia effettuati in alcune forme di realizzazione del metodo (gi? precedentemente menzionati).

Caduta del dispositivo master (?master drop?).

L?obiettivo di questo controllo ? di identificare una caduta non volute del dispositivo master dalle mani del chirurgo. Tale controllo si basa sulla rilevazione di accelerazione (o posizione) del dispositivo master (senza necessit? di ulteriori sensori di altre grandezze, quali superfici sensibili alla pressione).

Il principio consiste nel rilevare l?accelerazione, oppure nel ricavare l?accelerazione a partire da informazioni di posizione (anche affette da rumore) e calcolare il valore istantaneo dell?accelerazione lungo la direzione e il verso (verso il basso) del vettore di gravit?.

Quando tale accelerazione raggiunge una soglia comparabile alla accelerazione di gravit?, viene emesso l?avviso di anomalia rispetto a questo controllo.

Si assume nel seguito che, nel Sistema di riferimento globale, il campo gravitazionale sia orientato lungo l?asse ?Y.

La stima di accelerazione ? basata, ad esempio, sull?uso di un fitting polinomiale dell?asse Y, e poi la doppia derivazione del polinomio manipolando i suoi coefficienti.

Tra le differenti tecniche di fitting utilizzabili, si pu? citare, ad esempio, la soluzione basata sul filtro Solezky-Golay, che ? caratterizzata dal fatto di esprimente il polinomio derivato come in filtro FIR (Finite Impulse Response), il che operativamente consiste nel prendere una finestra di 2W+1 campioni e moltiplicarla per una matrice costante. Tale matrice dipende da due parametri: la dimensione della finestra (con semiampiezza W) e l?ordine del polinomio.

La dimensione della finestra dipende dal tempo di campionamento, la latenza desiderata nella computazione e il rumore del segnale.

L?ordine del polinomio dipende dalla natura del segnale posizionale.

Il filtro ? un filtro passa-basso, con frequenza di cutoff che pu? essere espresso secondo relazioni note in letteratura, ad esempio:

Cutoff (Hz) = Dt (Ordine+1)/(3.2 Finestra-4.6).

Secondo un?opzione implementativa, il dispositivo master ha due posizioni di rilevazione (ovvero due sensori). In tal caso, quando una qualunque di esse eccede la soglia, viene emesso avviso di anomalia.

Si noti che pi? ampia ? la finestra usata per la stima e migliore ? la stima stessa, con il suddetto algoritmo. D?altra parte, pi? stretta ? la finestra e pi? rapido ? il tempo di reazione.

Un criterio per la scelta di un opportuno compromesso tra le suddette esigenze ? la quantit? di spazio percorsa dal dispositivo slave controllato durante il movimento non intuitivo e non volute del dispositivo master (ad esempio, il movimento di caduta del master). Definita come D la massima distanza consentita al percorso dal dispositivo slave controllato durante il movimento non intuitivo, e definita M la massima velocit? del master in tale situazione, allora la massima ampiezza di finestra W ? espressa dalla relazione:

W = 2 D/M/T 1,

dove T ? il tempo di campionamento.

Superamento di una accelerazione massima

Un altro tipo di controllo di anomalia ? relative ad un movimento non intuitivo ? un eccesso di accelerazione del dispositivo master lungo una qualsiasi direzione. Questo evento pu? essere identificato sulla base di una rilevazione o stima di accelerazione componente per componente, usando le stesse tecniche sopra descritte per il caso ?Master Drop?.

In questo caso, il modulo vettoriale delle tre componenti ? confrontato con una soglia per emettere l?eventuale avviso di anomalia.

Apertura improvvisa del dispositivo master.

Nel caso di un dispositivo master avente un grado di libert? relative alla presa (?grip?) un?ulteriore controllo pu? essere effettuato su un?eventuale apertura eccessivamente veloce della presa del dispositivo master, che ? considerate indicative, ad esempio, della situazione anomala in cui l?operatore perde il controllo del dispositivo master, o della presa sul dispositivo master, laddove il grado di libert? di presa del dispositivo master sia elasticamente precaricato in apertura o in chiusura.

La stima della velocit? di apertura viene effettuata, ad esempio, usando lo stesso fitting polinomiale sopra descritto per il caso ?Master Drop?, ma con differenti parametri, associati a questa particolare condizione. La velocit? stimata dell?angolo di apertura (o ?angolo di grip?) ottenuto dal fitting viene usata per la valutazione di questa anomalia.

In un caso viene stimata l?accelerazione di apertura: la stima della accelerazione di apertura viene effettuata, ad esempio, usando lo stesso fitting polinomiale sopra descritto per il caso ?Master Drop?, ma con differenti parametri, associati a questa particolare condizione. L?accelerazione di apertura dipende dall?elasticit? di precarico (ad esempio, pu? essere prevista una molla tra due parti rigide vincolate a ruotare). L?accelerazione stimata dell?angolo di apertura (o ?angolo di grip?) ottenuta dal fitting viene usata per la valutazione di questa anomalia.

Dispositivo master al di fuori di limiti spaziali.

Un altro controllo di anomalia ? relativo ai limiti spaziali prescritti per il movimento dell?operatore. Questi limiti sono definiti sulla base di considerazioni di utilizzabilit? dello specifico obiettivo chirurgico e delle limitazioni del sistema di sensori usato per calcolare la posizione del dispositivo master.

Si possono individuare due scenari principali relativamente a tali limiti: una sfera centrata nel centro dello spazio di lavoro; o una superficie a forma di parallelepipedo; o una geometria di cui ? computazionalmente efficiente calcolare se un punto ? al suo interno.

Quando i limiti di tali volumi vengono raggiunti dal dispositivo master, una notifica di anomalia viene fornita all?utente.

Nel contesto di un dispositivo master con interfaccia meccanica vincolata, questi limiti dipendono dai limiti dell?interfaccia meccanica.

Nel contesto di un dispositivo master con interfaccia meccanica non vincolata, se si considera una rilevazione ottica lo spazio di lavoro ? l?intersezione dei tronchi di cono di ciascuna telecamera, costruiti tenendo conto della risoluzione minima necessaria per l?identificazione delle caratteristiche oggetto di tracking. Se si considerano sistemi di tracking magnetico, lo spazio di lavoro ha dei limiti che dipendono dall?attenuazione del campo magnetico.

Quindi, in sintesi, secondo una forma di realizzazione del metodo, mediante la misura o il calcolo dell?accelerazione vettoriale, ossia in modulo, direzione e verso, lineare o angolare, del dispositivo master, vengono ricavate almeno le seguenti informazioni:

- caduta del dispositivo master: se l?accelerazione ? pari a g o nell?intorno di g (ad esempio, 80% di g) e diretta verso il basso, allora il sistema robotico viene immediatamente arrestato, per evitare che lo slave si diriga anch?esso verso il basso, e quindi, presumibilmente, verso il paziente;

- il dispositivo master ha una accelerazione eccessiva (ad esempio uguale o superiore a 3g) in una direzione qualsiasi; anche in tal caso, il sistema robotico viene immediatamente arrestato;

- apertura involontaria del dispositivo master: se l?accelerazione relativa di due punti del dispositivo master ? maggiore dell?accelerazione di ritorno elastico tra i suddetti due punti (tra i quali vi ? un giunto, e una molla atta ad aprire il giunto).

L?accelerazione vettoriale del dispositivo master viene o direttamente rilevata mediante uno o pi? accelerometri, oppure ricavata dal monitoraggio dell?evoluzione del vettore posizione, a sua volta rilevato.

Come sopra illustrato, il presente metodo si rivolge ad un?ampia classe di interfacce di dispositivo master per sistema robotico di teleoperazione chirurgica, caratterizzate da misure di posizione e orientazione.

In particolare, vengono considerati, ad esempio, dispositive master con due parti, o punte, che si possono chiudere con un giunto a cardine o cerniera. Ogni parte ? associata ad una misura di posizione, che viene direttamente misurata o dedotta.

In tal caso, le misure effettuate sulle due parti del dispositivo master possono fornire sino a 12 gradi di libert? rilevati: 3 coordinate di posizioni e 3 valori di orientazione per la prima porzione di dispositivo master; 3 coordinate di posizioni e 3 valori di orientazione per la seconda porzione di dispositivo master.

Tali rilevazione permettono sempre (e anche con ridondanza) di rilevare i 7 gradi di libert? della struttura meccanica del dispositivo master.

Gli esempi riportati nelle figure 1, 2, 7 e 8 si riferiscono a un dispositivo master di tipo ?a pinzetta? che prevede l?applicazione di una forza delle dita della mano di presa pi? o meno a met? tra il giunto di cerniera e le punte dei due bracci della pinzetta (corrispondenti alle pi? volte menzionate ?due parti? del dispositivo master). Questo tipo di dispositivo master ? caratterizzato da un totale di 7 gradi di libert?: tre di orientazione, tre di posizione e l?apertura tra i bracci della pinzetta. Come gi? illustrato, si possono usare tecnologie ottiche o magnetiche per rilevare la posizione dei bracci della pinzetta.

Le figure 1 e 2 rappresentano il dispositivo master con i due sensori S1, S2 disposti in prossimit? delle punte T1, T2 delle braccia della pinzetta.

In figura 1, il giunto cardine OJ ? sulla sinistra, e consente una rotazione delle braccia con un asse parallelo ai due assi z1 e z2 dei due bracci o parti rigide 180, 190. Gli assi x1 e x2 sono nella direzione dei bracci, con un verso in allontanamento dal giunto.

Le misure di posizione e rotazione di ciascuno dei due sensori possono essere rappresentate da un vettore tridimensionale della posizione (ottenendo quindi due vettori posizione che indichiamo come p1 e p2) e da una matrice di rotazione per ciascun braccio (ottenendo quindi due matrici di rotazione che indichiamo come R1 e R2). Ogni sensore ? quindi associato a rispettive informazioni di posizione e rotazione, (p1, R1) e (p2, R2).

Si osservi che la rotazione pu? essere associata al sottogruppo ortogonale tridimensionale SO(3), e quindi il numero di gradi di libert? ? sempre di 3 (indipendentemente dal tipo di rappresentazione, sia essa basata su una matrice di rotazione con 9 numeri, come qui esemplificato, sia essa basata su 3 angoli di Eulero (3), sia essa basata su quaternioni.

La disposizione (cio? posizione e rotazione) dei punti di riferimento (o delle punte) dei bracci permette di calcolare una disposizione (cio? posizione e rotazione) dell?intero dispositivo master, ad esempio con una posizione calcolata come la media pM delle due posizioni p1 e p2, e la rotazione come una media delle rotazioni (ovvero, una matrice RM avente come elementi le medie dei rispettivi elementi di R1 e R2). L?angolo di apertura ? della pinzetta pu? essere calcolato usando le distanze tra le punte e le lunghezze note dei bracci del dispositivo master, ovvero le distanze note tra il giunto OJ e ciascuno dei punti di riferimento equipaggiati di sensori S1, S2 (ipotizzando che i sensori siano posti in punti equidistanti dal giunto OJ, le suddette due distanze sono uguali, e vengono qui indicate come D).

Secondo un?opzione implementativa, mostrata ad esempio in figura 3, detto dispositivo master 310 ha due parti rigide 380, 390, di preferenza tra loro co-lineari, vincolate elasticamente in una porzione 375, ad esempio un giunto prismatico, a traslare lungo un asse longitudinale coincidente con l?estensione longitudinale di almeno una di, o di entrambe, le suddette parti 380, 390 del dispositivo master 310. Ad esempio, premendo radialmente sulla porzione 375 si determina l?allontanamento relativo delle due parti 380, 390.

In tal caso, come gi? osservato, il metodo comprende: rilevare e/o calcolare il vettore accelerazione e/o la rispettiva evoluzione temporale di ciascuno detti due punti rilevabili; calcolare l?accelerazione lineare di traslazione relativa delle due parti rigide del dispositivo master vincolate a traslare elasticamente, sulla base di detti vettori accelerazione rilevati e/o calcolati; confrontare l?accelerazione lineare di traslazione relativa calcolata con una accelerazione lineare di soglia che dipende dalla rigidezza elastica del vincolo; e infine individuare la condizione di anomalia se l?accelerazione lineare di traslazione relativa calcolata ? maggiore dell?accelerazione lineare di soglia.

L?accelerazione lineare di soglia pu? essere una soglia di accelerazione di avvicinamento tra le due parti rigide e/o una soglia di accelerazione di allontanamento. Ad esempio, quando in condizioni di esercizio, un?azione di pressione radiale sul corpo del dispositivo master determina l?allontanamento delle due parti rigide, impartendo allo strumento chirurgico slave un?azione di presa (apertura/chiusura).

Di preferenza, questa opzione implementativa che prevede il calcolo dell?accelerazione lineare di traslazione relativa delle due parti rigide del dispositivo master tra loro vincolate in traslazione consente di individuare una condizione di anomalia indice di un comportamento non controllato del dispositivo master, alla stregua dell?implementazione sopra descritta con riferimento all?apertura involontaria in un dispositivo master avente un giunto rotoidale tra le due parti rigide.

Secondo una forma realizzativa illustrata in figura 4, un sistema teleoperato di chirurgia robotica 400 comprende almeno un dispositivo master 410, 420 non vincolato avente un assegnato spazio di lavoro 415, 425 (nell?esempio illustrato sono mostrati schematicamente due dispositivi master 410, 420 non vincolati mostrati schematicamente tenuti in mano da un chirurgo 450), una console 455 solidale agli spazi di lavoro 415, 425, una unit? di controllo 430, ed un dispositivo slave 440 (nell?esempio illustrato sono mostrati due strumenti chirurgici slave 460, 470).

Secondo una forma realizzativa illustrata in figura 4bis, un sistema teleoperato di chirurgia robotica 400 comprende almeno un dispositivo master non vincolato (nell?esempio illustrato sono mostrati schematicamente due dispositivi master non vincolati mostrati schematicamente tenuti in mano da un chirurgo 450 all?interno di uno spazio di lavoro 415), una console 455, ed un dispositivo slave 440 (nell?esempio illustrato sono mostrati due strumenti chirurgici slave 460, 470), cui la console 455 definisce un sistema di riferimento generale MFO solidale con lo spazio di lavoro 415, ed in cui ciascun dispositivo master definisce un sistema di riferimento locale MFM1 e MFM2.

In merito ai sistemi di coordinate illustrati nelle figure e utilizzati nel metodo, si osservi che il sistema di riferimento denotato come MFO ? un sistema di riferimento generale per il dispositivo master (ad esempio, associato allo spazio di lavoro del dispositivo master); i sistemi di riferimento denotati come MF#1 e MF#2 (figura 1) sono sistemi di riferimento locali solidali alle due parti del dispositivo master; i sistemi di riferimento MFM (in figura 1), MFM1 e MFM2 (figure 4 e 4bis) sono sistemi di riferimento locali solidali ad un dispositivo master (ad esempio associati ad un punto medio virtuale tra i punti in cui si trovano due sensori solidali al dispositivo master); il sistema di riferimento SFO ? un sistema di riferimento generale per il dispositivo slave (ad esempio, associato ad uno spazio di lavoro del dispositivo slave).

Secondo una forma realizzativa illustrata in figura 4ter, una console master 455 per un sistema teleoperato di chirurgia robotica comprende uno schermo 457 ed una sorgente di tracking 456 solidale ad un volume di lavoro 415; due dispositivi master non vincolati 410, 420 sono mostrati all?interno del volume di lavoro 415, ciascun dispositivo master non vincolato 410, 420 essendo cablato via collegamento dati 411, 421 alla console 455.

Nelle figure 5, 6, 7 e 8 sono illustrate alcune anomalie riscontrabili basate su informazione di accelerazione di almeno un punto del dispositivo master non vincolato.

In particolare, la figura 5 mostra un dispositivo master non vincolato 510 all?interno dello spazio o volume di lavoro 515 ad esso assegnato e munito di due sensori 585, 595 o markers 585, 595, in cui il dispositivo master 510 ? illustrato soggetto ad una accelerazione verticale ay sopra soglia.

La figura 6 mostra un dispositivo master non vincolato 510 all?interno dello spazio o volume di lavoro 515 ad esso assegnato e munito di due sensori 585, 595 o marker 585, 595 su rispettive parti 580, 590, in cui il dispositivo master 510 ? illustrato soggetto ad una accelerazione atot sopra soglia.

La figura 7 mostra un dispositivo master non vincolato 510 all?interno dello spazio o volume di lavoro 515 ad esso assegnato, in cui il corpo del dispositivo master 510 ? formato da due parti rigide 580, 590 vincolate in un giunto elastico 575 a ruotare relativamente attorno ad un asse comune, in cui ciascuna di dette due parti rigide 580, 590 ? munita di un sensore 585, 595 o marker 585, 595, in cui il dispositivo master 510 ? illustrato soggetto ad apertura involontaria (in questa forma di realizzazione illustrata, il giunto elastico 575 influenza in allontanamento le estremit? libere delle parti rigide 580, 590, con una accelerazione angolare ? che dipende dall?elasticit? del giunto elastico 575). In sostituzione del (o in addizione al) rilevamento della accelerazione angolare ?, ? possibile rilevare l?accelerazione lineare.

La figura 8 mostra un dispositivo master non vincolato 510 all?interno dello spazio o volume di lavoro 515 ad esso assegnato e munito di due sensori 585, 595 o markers 585, 595 su rispettive parti 580, 590, in cui il dispositivo master 510 ? illustrato soggetto ad una accelerazione angolare ? su ciascuno degli assi del sistema di riferimento generale MFO.

Come si pu? constatare, gli scopi della presente invenzione, come precedentemente indicati, sono pienamente raggiunti dal metodo sopra descritto, in virt? delle caratteristiche sopra illustrate in dettaglio.

Infatti, il metodo e il sistema descritti permettono una verifica efficace ed in tempo reale di rilevare diverse possibili anomalie operative del dispositivo master, o situazione anomale in cui il dispositivo master pu? trovarsi, e di riconoscere il tipo di anomalia.

Quindi, viene pienamente soddisfatta l?esigenza di operare procedure di verifica in tempo reale di eventuali condizioni operative anomale del dispositivo master, condotte automaticamente dal sistema di controllo del robot per teleoperazione medica o chirurgica, che siano efficienti e affidabili, al fine di soddisfare gli stringenti requisiti di sicurezza che sono richiesti da tali applicazioni.

Ci? viene ottenuto misurando o calcolando l?accelerazione lineare e/o angolare di almeno un punto associabile al master, di preferenza quando il master non vincolato o ?volante? si trova all?interno di un certo volume di lavoro, e confrontando la una o pi? grandezze rilevate con uno o pi? rispettivi valori di soglia predeterminabili.

Poich? il dispositivo master ? destinato a venire sostenuto meccanicamente in mano dal chirurgo durante la teleoperazione, la rilevazione di accelerazioni del dispositivo master al di fuori di limiti consentiti quando il dispositivo master si trova all?interno dello spazio di lavoro assegnato al master ? indice di anomalia.

Una volta individuata un?anomalia strutturale o funzionale del dispositivo master, la teleoperazione pu? essere immediatamente e tempestivamente interrotta, evitando quindi che tale anomalia si ripercuota su una conseguente anomalia nell?operazione del dispositivo slave e dello strumento chirurgico ad esso associato, destinato ad agire sul paziente, con possibili conseguenze anche gravi sul paziente stesso.

In tal modo, viene raggiunto l?obiettivo di migliorare la sicurezza del paziente, soddisfacendo gli strettissimi requisiti di sicurezza che devono essere rispettati nell?ambito operativo considerato.

Alle forme di realizzazione del metodo sopra descritto, un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potr? apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione pu? essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Metodo per individuare e riconoscere e/o discriminare almeno una condizione di anomalia nell?uso di un dispositivo master (110; 310; 410, 420; 510) impugnabile, destinato ad essere sostenuto in mano dall?operatore, e meccanicamente non vincolato a terra, utilizzato per il controllo di un sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica, in cui il metodo comprende:

- rilevare e/o calcolare, mediante uno o pi? sensori (S1, S2; 585, 595), il vettore accelerazione di almeno un punto appartenente o solidale al dispositivo master, o di un punto virtuale associato univocamente e rigidamente al dispositivo master;

- individuare e riconoscere e/o discriminare almeno una condizione di anomalia rilevabile sulla base di almeno una componente o del modulo di detto vettore accelerazione rilevato e/o calcolato;

in cui dette anomalie rilevabili comprendono almeno una tra le seguenti: caduta involontaria del dispositivo master e/o eccessiva accelerazione del dispositivo master e/o apertura improvvisa ed involontaria del dispositivo master,

ed in cui ciascuna di dette anomalie rilevabili ? associata ad almeno un cambio di stato del sistema da effettuarsi in caso di rilevazione dell?anomalia.

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto cambio di stato del sistema, da effettuarsi in caso di rilevazione di una anomalia, comprende l?uscita dalla teleoperazione.

3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, comprendente l?ulteriore fase di misurare e/o rilevare, mediante uno o pi? sensori, il vettore posizione di detto almeno un punto appartenente o solidale al dispositivo master e dell?evoluzione nel tempo di detto vettore posizione;

ed in cui la fase di rilevare e/o calcolare detto vettore accelerazione comprende rilevare e/o calcolare detto vettore accelerazione sulla base dell?evoluzione nel tempo del rispettivo vettore posizione misurato e/o rilevato.

4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui detta fase di rilevare e calcolare il vettore accelerazione comprende:

- calcolare il vettore accelerazione mediante finestre mobili di N campioni del vettore che rappresenta l?evoluzione nel tempo del vettore posizione, e mediante interpolazione con polinomi del secondo ordine, per il grado di libert? relativo alla presa, e con polinomi del terzo ordine, per i gradi di libert? relativi a traslazione e orientazione del dispositivo master, oppure - calcolare il vettore accelerazione mediante un filtro predittivo di tipo Kalman che utilizza un modello di movimento con dinamica randomica dell?accelerazione atto a stimare lo stato della posizione del dispositivo master e correggere la stima sulla base di informazioni fornite dal sistema di misura.

5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di rilevare e/o calcolare il vettore accelerazione comprende:

- rilevare e/o calcolare mediante almeno due sensori il vettore accelerazione di ciascuno di almeno due punti appartenenti o solidale al dispositivo master;

calcolare il vettore accelerazione di un punto virtuale associato univocamente e rigidamente al dispositivo master, corrispondente al punto medio tra i punti in cui sono collocati i sensori.

6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica comprende:

- detto dispositivo master, meccanicamente non collegato a terra e idoneo per essere tenuto in mano da un chirurgo durante un intervento chirurgico, e configurato per rilevare un comando manuale del chirurgo e generare un rispettivo primo segnale elettrico di comando;

- almeno un assieme robotico slave (440) comprendente almeno uno strumento chirurgico slave (460, 470) configurato per operare sull?anatomia di un paziente, in maniera controllata dal dispositivo master;

- un?unit? di controllo dotata di elaboratore elettronico, configurata per ricevere detto primo segnale elettrico di comando dal dispositivo master, generare un secondo segnale elettrico di comando, sulla base del primo segnale elettrico di comando, e fornire il secondo segnale elettrico di comando all?assieme robotico slave, per attuare l?almeno uno strumento chirurgico slave;

in cui detta unit? di controllo ? operativamente collegata a detti uno o pi? sensori per ricevere almeno un terzo segnale elettrico rappresentativo di detto vettore accelerazione rilevato e/o misurato e/o della relativa evoluzione temporale,

ed in cui dette fasi di calcolare e di individuare almeno un?anomalia rilevabile sono eseguite da detta unit? di controllo.

7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di misurare e/o rilevare viene eseguita rispetto ad un sistema di coordinate di riferimento associato al sistema robotico per chirurgia teleoperata, ed avente assi predefiniti e origine in un punto prestabilito.

8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui il sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica comprende una consolle operativa (455),

in cui detto sistema di coordinate di riferimento ? solidale con detta consolle di sistema robotico.

9. Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui il sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica comprende un sistema di tracking, idoneo per rilevare posizione e orientamento del dispositivo master di input all?interno di un volume di tracking predefinito, in modo che l?attuazione dello strumento chirurgico slave dipenda dal comando manuale impartito dal chirurgo mediante il dispositivo master e/o dalla posizione e orientamento del dispositivo master.

10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo master ? un dispositivo master impugnabile e non vincolato, comprendente due parti rigide (180, 190; 380, 390; 580, 590) vincolate a ruotare e/o traslare relativamente in un rispetto ad un asse comune,

in cui detta fase di rilevare e/o calcolare comprende rilevare e/o calcolare, mediante rispettivi sensori, il vettore accelerazione e/o l?evoluzione nel tempo del vettore accelerazione, di almeno due punti rilevabili, un primo punto appartenente o solidale ad una di dette parti rigide del dispositivo master e un secondo punto appartenente o solidale all?altra di dette parti rigide del dispositivo.

11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui detta fase di calcolare comprende calcolare il vettore accelerazione e/o il vettore velocit? di detti almeno due punti rilevabili,

oppure calcolare il vettore accelerazione e/o il vettore velocit? di uno di detti almeno due punti rilevati, ed inoltre calcolare il vettore accelerazione e/o il vettore velocit? e/o il vettore posizione di almeno uno dei seguenti ulteriori punti:

punto medio tra detti due punti rilevati e/o baricentro di detto dispositivo master,

e/o di un giunto rotoidale di dispositivo master, e/o di un giunto prismatico di dispositivo master.

12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-11, in cui l?anomalia da rilevare ? una caduta involontaria del dispositivo master, ed in cui il metodo comprende:

- rilevare e/o calcolare la componente verticale, parallela all?asse di gravit?, della accelerazione (ay) di detto almeno un punto rilevato;

- confrontare la componente verticale dell?accelerazione (ay) rilevata o calcolata, con una soglia di accelerazione verticale;

- individuare l?anomalia associata alla caduta involontaria del dispositivo master se detta componente verticale dell?accelerazione (ay) ? maggiore di detta soglia di accelerazione verticale, secondo la relazione: ay > soglia di accelerazione verticale

13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui viene calcolato il vettore accelerazione di ciascuno di detti almeno due punti di rilevazione del dispositivo master per fornire ridondanza e/o un?ulteriore verifica.

14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-13, in cui l?anomalia da rilevare ? un?eccessiva accelerazione del dispositivo master, in particolare impartita nella movimentazione da detto utente utilizzatore, ed in cui il metodo comprende:

- rilevare e/o calcolare il modulo del vettore accelerazione (atot) di almeno uno di detti almeno due punti rilevati;

- confrontare il modulo del vettore accelerazione (atot) rilevato e/o calcolato con una soglia di accelerazione totale;

- individuare l?anomalia associata a un?eccessiva accelerazione del dispositivo master se detto modulo del vettore accelerazione (atot) ? maggiore di detta soglia di accelerazione totale, secondo la relazione: atot > soglia di accelerazione totale.

15. Metodo secondo le rivendicazioni 13 o 14, in cui detta soglia di accelerazione verticale ? minore di detta soglia di accelerazione totale.

16. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-15, in cui vengono calcolate le accelerazioni di entrambi detti punti di rilevazione del dispositivo master,

e in cui la condizione di trigger di allarme viene sollevata se almeno uno di detti punti rilevati supera l?accelerazione di soglia,

oppure se il punto medio virtuale supera l?accelerazione di soglia,

oppure se l?accelerazione relativa tra detti due punti ? sopra soglia.

17. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 14-16, in cui detta soglia di accelerazione totale viene definita in modo da crescere con il decrescere del fattore di scala del moto tra dispositivo master e dispositivo slave, e/o con il decrescere di un fattore di scala selezionato dall?utente ed applicato al movimento teleoperato Master-Slave.

18. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-17, in cui detto dispositivo master ? composto da due parti rigide (580, 590) mutualmente connesse in un giunto elastico che tende ad aprire almeno angolarmente dette parti quando non premute o tenute saldamente in mano dall?utente, e l?anomalia da rilevare ? una apertura involontaria del dispositivo master,

ed in cui il metodo comprende:

rilevare e/o calcolare il vettore accelerazione e/o la rispettiva evoluzione temporale di ciascuno detti due punti rilevabili;

calcolare la accelerazione angolare di apertura ? delle due parti rigide del dispositivo master, sulla base di detti vettori accelerazione rilevati e/o calcolati; confrontare la accelerazione angolare di apertura ? calcolata con una rispettiva accelerazione angolare di soglia che dipende dalla rigidezza elastica del giunto elastico;

individuare la condizione di anomalia associata ad una apertura involontaria del dispositivo master se detta accelerazione angolare di apertura (?) calcolata ? maggiore di detta accelerazione angolare di soglia, secondo la relazione ? > accelerazione angolare di soglia.

19. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-17, in cui detto dispositivo master avente due parti rigide (380, 390) vincolate, elasticamente, a traslare lungo un asse longitudinale coincidente con l?estensione longitudinale di almeno una delle suddette parti del dispositivo master, ed in cui il metodo comprende:

calcolare la accelerazione lineare di allontanamento/avvicinamento delle due parti rigide del dispositivo master, sulla base di detti vettori accelerazione rilevati e/o calcolati;

confrontare la accelerazione lineare di allontanamento/avvicinamento calcolata con una velocit? lineare di soglia che dipende dalla rigidezza elastica del vincolo (375);

individuare la condizione di anomalia associata ad una apertura involontaria del dispositivo master se detta accelerazione lineare di allontanamento/avvicinamento calcolata ? maggiore di detta accelerazione lineare di soglia.

20. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette anomalie di caduta involontaria del dispositivo master, di eccessiva accelerazione del dispositivo master e di apertura improvvisa ed involontaria del dispositivo master vengono tutte rilevate, e nello stesso tempo.

21. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la rilevazione di dette anomalie di caduta involontaria del dispositivo master, di eccessiva accelerazione del dispositivo master e di apertura improvvisa ed involontaria del dispositivo master sono subordinate all?ulteriore vincolo che il dispositivo master non vincolato si trovi all?interno di un volume di lavoro (415; 415, 425; 515) predeterminabile.

22. Metodo per gestire anomalie riscontrate in un dispositivo master di un sistema robotico master-slave per teleoperazione chirurgica o medica, comprendente le fasi di:

eseguire un metodo per individuare e riconoscere e/o discriminare almeno una condizione di anomalia secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-21;

se viene determinata almeno una qualunque di dette anomalie, interrompere immediatamente la teleoperazione e i movimenti dello strumento chirurgico del dispositivo slave.

23. Sistema robotico (400) per teleoperazione medica o chirurgica comprendente:

- un dispositivo master (110; 310; 410, 420; 510), meccanicamente non collegato a terra e idoneo per essere tenuto a mano da un chirurgo (450) durante un intervento chirurgico, e configurato per rilevare un comando manuale del chirurgo e generare un rispettivo primo segnale elettrico di comando;

- almeno un dispositivo slave (440), o assieme robotico slave, comprendente almeno uno strumento chirurgico slave (460, 470) configurato per operare sull?anatomia di un paziente, in maniera controllata dal dispositivo master;

in cui detta unit? di controllo ? configurata per individuare e riconoscere e/o discriminare almeno una condizione di anomalia eseguendo un metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-21 e/o per gestire anomalie riscontrate eseguendo un metodo secondo la rivendicazione 22.