PL223072B1 - System sterowania robotem chirurgicznym do operacji małoinwazyjnych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Określenie dziedziny techniki

Przedmiotem wynalazku jest system sterowania robotem chirurgicznym do operacji małoinwazyjnych. Dotyczy on w szczególności dziedziny sprzętu medycznego. Przeznaczony jest do zastosowań w zrobotyzowanej chirurgii małoinwazyjnej (laparoskopowej).

Opis stanu techniki

Wiadomym jest, że zabiegi laparoskopowe są znacznie mniej inwazyjne, niż standardowe, polegające na otwarciu jam ciała pacjenta. Ich największą zaletą jest szybsza rekonwalescencja operowanych osób. Stosunkowo nową dziedziną laparoskopii jest laparoskopia zrobotyzowana. Robot chirurgiczny przenosi precyzyjnie ruchy operatora na odpowiednie ruchy właściwego narzędzia chirurgicznego. Operator jednocześnie obserwuje obraz z kamery endoskopowej, pochodzący z wnętrza ciała pacjenta. Zastosowanie robota chirurgicznego zwiększa precyzję wykonanego zabiegu oraz wygodę pracy chirurga. Aby ruchy operatora mogły być właściwie odwzorowane przez zrobotyzowane narzędzie chirurgiczne konieczny jest odpowiedni system sterowania (zadajnik master). Nowoczesn e narzędzia laparoskopowe sprzężone z robotem chirurgicznym mogą mieć 7 stopni swobody. W tym przypadku pierwsze trzy związane są z pozycją narzędzia wewnątrz ciała, kolejne trzy wyznaczają orientację samej końcówki narzędziowej i ostatni z nich kontroluje rozwarcie szczęk (jeśli narzędzie je posiada).

Najbardziej reprezentatywnym robotem chirurgicznym dostępnym na rynku jest system chirurgiczny „Da Vinci”, opracowany przez firmę Intuitive Surgical, Inc. System ten został opisany m.in. w US 6,659,939, US 6,837,883 i innych dokumentach. W podanych dokumentach można znaleźć opisy systemu sterowania robotem. System ten zbudowany jest z wielu elementów mechanicznych. Operator steruje rozwarciem zrobotyzowanej końcówki narzędzia chirurgicznego poprzez zwieranie sprężystego mechanizmu za pomocą palca wskazującego i kciuka. Cały system sterowania wypos ażony jest w zestaw przegubów obrotowych, zawierających enkodery, informujące o ich obrotach. Zmiany pozycji i orientacji dłoni operatora indukują odpowiednie obroty przegubów systemu, które w dalszym etapie przekształcane są na sygnały sterujące robotem chirurgicznym „Da Vinci”.

Innym robotem chirurgicznym (będącym w fazie projektu) jest „Robin Heart”, budowany w Fu ndacji Rozwoju Kardiochirurgii im. Zbigniewa Religi w Zabrzu. W placówce tej powstała prototypowa konsola sterująca robotem chirurgicznym o nazwie „Robin Heart Shell”, o której można przeczytać w książce „Roboty Medyczne” pod redakcją Zbigniewa Nawrata (ISBN 978-83-88427-71-8) na stronach 99-107. W opisie konsoli mowa jest o systemie sterowania robotem chirurgicznym, w którym przegub kulowy umieszczony jest nad głową operatora. Przez każdy przegub przechodzi wzdłużny element, który zakończony jest szeregiem przycisków i jego koniec jest trzymany przez operatora konsoli. Obroty kulowego przegubu oraz liniowe ruchy elementu przez niego przechodzącego zamieniane są na sygnały sterujące pozycją narzędzia chirurgicznego. Za pomocą zestawu przycisków i pokręteł można sterować stopniami swobody związanymi z orientacją narzędzia oraz zwieraniem i rozwieraniem szczęk.

Opis wynalazku

System sterowania robotem chirurgicznym, będący przedmiotem wynalazku pozwala na sterowanie zrobotyzowanym narzędziem laparoskopowym, posiadającym do 7 stopni swobody. Ideowo realizację systemu pokazano na fig. 1. Zawiera on system pomiaru położenia dłoni operatora, składający się z co najmniej dwóch kamer (2, 3), w których wspólnym polu widzenia znajduje się dłoń (1) z zamocowanym na niej świecącym znacznikiem (4), który reprezentuje jej pozycję. W pokazanym przypadku kamery umieszczone są ortogonalnie względem siebie. Kamery wysyłają obrazy (5, 6) do komputera, gdzie następuje ich cyfrowa analiza, polegająca wstępnie na znalezieniu współrzędnych środka świecącego znacznika, widzianego na każdym obrazie (7, 8). Następnie znając położenia i parametry optyczne kamer (rozdzielczości matryc i kąty widzenia obiektywów) oraz wspomniane współrzędne odnalezionych punktów, można wyznaczyć proste w przestrzeni (9, 10), które powinny przecinać szukany znacznik. Ze względu chociażby na występujące wady optyki kamer szukany punkt nie koniecznie musi znajdować się w punkcie przecięcia prostych, więc szacuje się jego położenie jako środek najkrótszego odcinka łączącego dwie wspomniane proste. Gdy wykorzystuje się więcej, niż dwie kamery, można uśrednić wyniki dla każdej z par znalezionych prostych. Wynik pomiaru poł ożenia wysyłany jest niezwłocznie z komputera do robota chirurgicznego, który za pomocą zmierzonej pozycji dłoni steruje pozycją narzędzia chirurgicznego.

PL 223 072 B1

W przedstawionym wynalazku do pomiarów orientacji dłoni wykorzystuje się trójosiowe czujniki mikroelektromechaniczne (MEMS), a dokładnie akcelerometr, żyroskop i magnetometr, przymocowane do niej w postaci płytki PCB (11), na której są wlutowane, wraz z mikrokontrolerem. Dane pomiarowe ze wspomnianych czujników wysyłane są w postaci cyfrowej do mikrokontrolera, gdzie następuje ich przetwarzanie na szukaną orientację dłoni poprzez algorytm fuzji danych. Znanych jest wiele algorytmów fuzji danych z tego typu czujników - chociażby zaproponowany przez Sebastian'a O.H. Madwick'a w pracy pt. „An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays” z dnia 30 kwietnia 2010 roku. Uzyskuje się w ten sposób na przykład kwaternion precyzyjnie informujący o orientacji nadgarstka operatora. Mikrokontroler wysyła następnie dane o orientacji do robota chirurgicznego, który wykorzystuje je do ustawienia orientacji końcówki narzędzia chirurgicznego. Zatem obroty nadgarstka operatora, które zmieniają orientację dłoni implikują analogiczne obroty końcówki narzędziowej.

Aby precyzyjnie kontrolować rozwarcie końcówki narzędzia laparoskopowego, wykonano szczypce (12), których górną część operator mocuje do palca wskazującego, a dolną do kciuka. Ich oś obrotu wyposażona jest w enkoder absolutny (13), pozwalający na pomiar kąta obrotu pomiędzy ich poszczególnymi elementami. Sygnał z enkodera trafia do mikrokontrolera, który przekazuje sygnały sterujące do robota chirurgicznego, który zwiera/rozwiera szczęki narzędzia.

Wykorzystanie optycznej metody pomiaru pozycji dłoni za pomocą kamer (2, 3) wraz z pomiarami jej orientacji za pomocą czujników typu MEMS (11) pozwala na osiągnięcie większej swobody ruchów dłoni operatora, niż rozwiązania znane ze stanu techniki. Część systemu, która znajduje się na dłoni, łączy się z resztą systemu jedynie poprzez przewód USB, zapewniający zasilanie oraz w ymianę danych pomiędzy robotem chirurgicznym, a wspomnianym mikrokontrolerem. Wynalazek stanowi więc alternatywę dla znanych zadajników ruchu, które oparte są na wielu przegubowych elementach mechanicznych, których obroty względem siebie wyznaczają pozycję i orientację dłoni operatora.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   System sterowania robotem chirurgicznym, który przekształca informacje o położeniu, orientacji i rozwarciu palców dłoni operatora na położenie, orientację i rozwarcie końcówki narzędzia chirurgic znego, znamienny tym, że pomiar położenia wspomnianej dłoni wykonuje się metodą optyczną z w ykorzystaniem nie mniej, niż dwóch kamer (2, 3), z których obrazy (5, 6) po komputerowej analizie w yznaczają pozycję przestrzenną znacznika (4) połączonego z dłonią (1) i komputer wysyła informację do robota chirurgicznego, sterując pozycją końcówki narzędziowej, a pomiar orientacji dłoni wykonuje się za pomocą trzech trójosiowych czujników mikroelektromechanicznych, takich jak akcelerometr, żyroskop i magnetometr, umieszczonych na dłoni operatora w postaci płytki PCB (11), które to wysyłają dane pomiarowe do mikrokontrolera umieszczonego również na wspomnianej płytce, który stosując algorytm fuzji danych ze wspomnianych czujników, przekształca je na informacje o orientacji, która następnie steruje przegubami końcówki narzędzia laparoskopowego, natomiast rozwarciem końcówki narzędziowej laparoskopu steruje się za pomocą pomiarów kąta rozwarcia pomiędzy dwoma ruchomymi elementami szczypiec (12), zamocowanymi pomiędzy palcem wskazującym i kciukiem na dłoni operatora, których to pomiarów dokonuje się enkoderem absolutnym (13) zamocowanym w ich ruchomej osi, wysyłającym dane pomiarowe do wspomnianego mikrokontrolera, który następnie wysyła sygnały sterujące robotem chirurgicznym.