RO134189B1 - Robot paralel pentru tratamentul laparoscopic al cancerului de ficat - Google Patents

Description

Prezenta invenție se referă la un sistem robotic pentru tratamentul laparoscopic al tumorilor hepatice neoperabile, sistem alcătuit din două module robotice, primul modul fiind destinat poziționării sondei ecografice iar cel de al doilea modul este destinat poziționării cu precizie a acului de livrare a tratamentului. Modulul pentru ghidarea sondei ecografice hepatice are 5 grade de libertate iar cel de al doilea modul (pentru inserarea acului de livrare a tratamentului) este asemănător cu cel de ghidare al sondei având tot 5 grade de mobilitate.

în literatura de specialitate este definit sistemul robotic pentru radioterapia tumorilor, brevet CN 101015723 A, sistem robotic care folosește pentru livrarea tratamentului un robot serial articulat cu 6 grade de libertate, cu o sarcină portantă de aproximativ 240 kg, o rază de lucru de 1 m, și o repetabilitate de 0.2 mm. Pentru tratament sistemul nu ghidează un ac sau o sondă ecografică ci o sursă de radiație cu o masă de 150 kg.

Un alt sistem robotizat folosit în tratamentul tumorilor hepatice este US20070021738 A1, acesta folosește de asemenea un braț robotic articulat capabil să manipuleze un instrument, fie acesta ac, sondă ecografică, lampă laparoscopică sau clema. Sistemul vine ca un ajutor pentru chirurg în timpul tratamentului, având nevoie de un operator uman pentru schimbarea ustensilelor pe parcursul procedurii.

Printre sistemele robotice de livrare a tratamentului pentru tumorile hepatice se regăsește și sistemul US 20120016175 A1. Acest sistem robotic folosește un braț robotic generic pentru a livra o capsulă radioactivă în zona de tratament. Procedura este tăcută de către chirurg, folosindu-se brațul robotic cu ustensilele adecvate de livrare a capsulei radioactive în funcție de poziția acesteia.

în documentul EP 3315088 A1 este dezvăluit un robot chirurgical care cuprinde o bază dispusă sub o masă chirurgicală, configurată pentru a fi mobilă într-o direcție longitudinală a mesei chirurgicale având cel puțin două brațe multi-articulate care sunt configurate astfel încât un instrument medical să poată fi montat la un capăt al fiecăruia dintre brațe, având fiecare cel puțin șase grade de libertate.

în documentul ES 2390436 A1 este prezentat un braț robotic cu o structură cinematică paralelă, care asigură rigiditate și robustețe dispozitivului și care are cel puțin patru grade de libertate, fiind prevăzut suplimentar cu un schimbător automat de instrumente. Brațul robotic cuprinde de preferință cinci dispozitive de acționare, dintre care patru sunt folosite pentru a executa cele patru grade de libertate și al cincilea pentru a controla schimburile de instrumente. Fiecare braț este mic și are suficientă capacitate dinamică pentru a efectua sarcini chirurgicale.

Brevetul JP 6396987 B2 dezvăluie un sistem chirurgical modular ce oferă 7 grade de mobilitate și care include unul sau mai multe brațe chirurgicale cuplabile la dispozitive de fixare și configurate pentru a susține unul sau mai multe instrumente chirurgicale, prevăzut cu un sistem de control electronic configurat pentru a controla funcționarea ansamblului de braț și instrumente.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în realizarea unui sistem robotic destinat tratamentului laparoscopic al tumorilor hepatice neoperabile, care prin lanțurile cinematice ale structurii paralele asigură o bună dexteritate atât în ghidarea sondei ecografice hepatice cât șți în poziționarea acului de livrare a tratamentului șți care datorită formei sale constructive, permite fixarea sistemului robotic direct de patul pacientului, făcând mult mai facilă aplicarea tratamentului.

Soluția de rezolvare a acestei probleme constă într-o structură robotică paralelă pentru tratamentul laparoscopic al tumorilor hepatice neoperabile, compusă dintr-un prim și un al doilea modul robotic dispuse pe un cadru proiectat pentru a putea fi fixat pe patul

RO 134189 Β1 unui pacient, întreaga structură fiind acționată cu ajutorul unor motoare rotative, în care 1 fiecare modul robotic având un număr de 5 grade de libertate și cuprinzând două mecanisme paralele, prin intermediul cărora se asigură poziționarea și orientarea în jurul a două axe a 3 unei sonde ecografice hepatice, respectiv a unui ac pentru livrarea tratamentului.

într-o variantă preferată de realizare primul modul robotic al structurii robotice para- 5 lele pentru tratamentul laparoscopic al tumorilor hepatice neoperabile este compus din două mecanisme paralele, prin intermediul primului mecanism care este prevăzut cu 3 grade de 7 libertate realizându-se poziționarea sondei ecografice hepatice în plan vertical sub acțiunea unui prim moto-reductor, iar în planul xOy sub acțiunea unui al doilea și al treilea moto- 9 reductor, iar prin intermediul celui de-al doilea mecanism realizându-se orientarea sondei ecografice hepatice, prin acționarea unui al patrulea moto-reductor rezultând o mișcare de 11 rotație a sondei ecografice hepatice în jurul unei axe paralele Ox, în timp ce prin acționarea unui al cincilea moto-reductor rezultă o rotație a sondei în jurul unei axe paralele cu axa Oy. 13 într-un alt exemplu preferat de realizare, al doilea modul robotic al structurii robotice paralele pentru tratamentul laparoscopic al tumorilor hepatice neoperabile este compus din 15 două mecanisme paralele, prin intermediul primului mecanism care este prevăzut cu 3 grade de libertate realizându-se poziționarea acului de livrare a tratamentului în plan vertical sub 17 acțiunea unui moto-reductor, iar în planul xOy sub acțiunea unui al doilea și respectiv al treilea moto-reductor, iar prin intermediul celui de-al doilea mecanism realizându-se orien- 19 tarea acului de livrare a tratamentului, prin acționarea unui al patrulea moto-reductor rezultând o mișcare de rotație a acului în jurul unei axe paralele Ox, în timp ce prin acționarea 21 unui al cincilea moto-reductor rezultă o rotație a acului in jurul unei axe paralele cu axa Oy.

Se prezintă în continuare mai multe figuri care exemplifică modul de realizare al 23 invenției:

- fig. 1, reprezintă structura robotică cu 2 module a câte 5 grade de mobilitate fiecare, 25 primul modul 3 are 5 grade de mobilitate pentru ghidarea sondei ecografice hepatice, iar cel de-al doilea 4, pentru ghidarea acului de tratament are de asemenea 5 grade de mobilitate, 27 ambele module sunt asamblate pe cadrul 2;

- fig. 2, reprezintă poziționarea celor două mecanisme paralele 5 și 6 în cadrul 29 modulului de ghidare a sondei ecografice hepatice;

- fig. 3a, reprezintă mecanismul de poziționare a sondei ecografice hepatice, 31 mecanism care are în componență 1 cuplă activă de translație două cuple active de rotație q₂ și q₃, 6 cuple pasive de rotație 8, 12, 20, 25, 25a și 29 și o cuplă cardanică 31; 33

- fig. 3b, reprezintă mecanismul de orientare al sondei ecografice hepatice, mecanism compus din 2 cuple active de translație q₄ și q₅, 2 cuple pasive de rotație 38 și 44, o cuplă35 pasivă de translație compusă din elementele 46 și 45, o cuplă cardanică 47 și două cuple de translație pasive compuse din elementele 32 ,34 și 42, 43;37

- fig. 4. reprezintă poziționarea celor două mecanisme paralele 48 și 49 în cadrul modulului de ghidare a acului de tratament;39

- fig. 5a, reprezintă mecanismul de poziționarea a acului e tratament, mecanism care are în componență 1 cuplă activă de translație q_r, două cuple active de rotație q₂, și q₃., 641 cuple pasive de rotație 53, 56, 58, 65, 73, 73a și o cuplă cardanică 51;

- fig. 5b, reprezintă mecanismul de orientare al acului de tratament, mecanism 43 compus din 2 cuple active de translație q₄, și q₅., 2 cuple pasive de rotație 85 și 92, o cuplă pasivă de translație compusă din elementele 94 și 93, o cuplă cardanică 78 și două cuple 45 de translație pasive compuse din elementele 88, 89 și 79, 80.

Este prezentată în continuare structura robotică paralelă pentru tratamentul 47 laparoscopic al tumorilor hepatice.

RO 134189 Β1

Robotul paralel este alcătuit conform fig. 1 din două module robotice 3 și 4 care lucrează împreună cu scopul de a trata tumorile neoperabile identificate în volumul ficatului. Cele două module robotice sunt așezate pe un cadru de aluminiu 2, proiectat pentru a fi fixat de patul pacientului. Sistemul robotic aste acționat cu ajutorul motoarelor rotative 9, 21,18, 33, 35, 77, 60, 66, 81, 82 amplasate pe cadrul robotului 2.

Primul modul robotic al sistemului este destinat ghidării controlate a sondei ecografice pentru investigații hepatice și este compus la rândul lui din 2 mecanisme paralele 5 și 6 al căror amplasament se poate observa în fig. 2.

în fig. 3a este prezentat primul mecanism 5 din cadrul modului de ghidare a sondei ecografice hepatice 3, acesta fiind un mecanism cu 3 grade de mobilitate prin intermediul căruia se realizează poziționarea sondei ecografice hepatice 7. Poziționarea sondei ecografice în plan vertical se face prin acționarea moto-reductorului 9 care este conectat la tija filetată 13 care formează un mecanism șurub- piuliță cu piulița încastrată în cadrul plăcii portante 14. Poziționarea sondei ecografice hepatice în planul XOY se face cu ajutorul moto-reductoarelor 21 și 18. Moto-reductorul 21 este conectat la cupla de rotație activă 19-q₂ care împreună cu cupla de rotație pasivă 20, elementele 19a și 20a, formează un prim mecanism paralelogram care se închide pe placa de legătură 30a prin intermediul a două cuple pasive de rotație 25 și 25a care la rândul lor formează cel de al doilea mecanism paralelogram prin intermediul elementelor 26 și 27 care închid mecanismul paralelogram prin intermediul cuplelor pasive de rotație 8 și 29 situate pe placa 30. Moto-reductorul 18 este conectat la cupla de rotație activă 17-q₃ care acționează elementul 28 care la rândul lui transmite mai departe mișcarea prin intermediul cuplei pasive de rotație 12, elementului 10 care la rândul lui este conectat plăcii de legătură 30 prin cupla de rotație 8. Sonda ecografică hepatică 7 este atașată plăcii de legătură 30 prin intermediul cuplei cardanice 31.

Cel de al doilea mecanism 6 este prezentat în fig. 3b și reprezintă mecanismul de orientare a sondei ecografice hepatice. Prin acționarea moto-reductorului 33 conectat la tija filetată 36 care prin rotație declanșează deplasarea liniară a cuplei de translație (piuliță) 37-q₄, țeava 45 este atașată rigid cuplei de translație 37. Moto-reductorul 35 acționează tija filetată 40 care declanșează deplasarea liniară a cuplei de translație 39-q₅. Elementul 41 este atașat cuplei de translație 39 prin intermediul cuplei de rotație pasivă 38 și prin intermediul cuplei de rotație 44 este atașată barei 46 care translatează în interiorul țevii 45, la capătul barei 46 se află cupla cardanică 47 se leagă de modulul cu 3 grade de mobilitate 11 care ghidează sonda ecografică. Prin acționarea moto-reductorului 33 rezultă o mișcare de rotație a sondei ecografice hepatice în jurul unei axe paralele cu OX în timp ce prin acționarea moto-reductorului 35 rezultă rotația sondei în jurul unei axe paralel cu axa OY. Prin intermediul cuplelor de translație pasive formate din barele de alunecare 34 și 42 și rulmenții de alunecare 32 și 43 are loc deplasarea în plan vertical a întregului modul de orientare a sondei ecografice.

Cel de al doilea modul robotic al sistemului este destinat ghidării controlate a acului pentru tratament și este compus la rândul lui din 2 mecanisme paralele 48 și 49 al căror amplasament se poate observa în fig. 4.

în fig. 5a este prezentat primul mecanism 48 din cadrul modului de ghidare a acului de livrare a tratamentului 4, acesta fiind un mecanism cu 3 grade de mobilitate prin intermediul căruia se realizează poziționarea acului de tratament 50. Poziționarea acului în plan vertical se face prin acționarea moto-reductorului 77 care este conectat la tija filetată 70 care formează un mecanism șurub- piuliță cu piulița încastrată în cadrul plăcii portante

RO 134189 Β1

72. Poziționarea acului în planul XOY se face cu ajutorul moto-reductoarelor 60 și 66. 1

Moto-reductorul 60 este conectat la cupla de rotație activă 61-q₂. care împreună cu cupla de rotație pasivă 65, elementele 59 și 62, formează un prim mecanism paralelogram care se 3 închide pe placa de legătură 57 prin intermediul a două cuple pasive de rotație 56 și 58 care la rândul lor formează cel de al doilea mecanism paralelogram prin intermediul elementelor 5 54 și 55 care închid mecanismul paralelogram prin intermediul cuplelor pasive de rotație 53 și 73a situate pe placa 52. Moto-reductorul 66 este conectat la cupla de rotație activă 67-q₃ 7 care acționează elementul 68 care la rândul lui transmite mai departe mișcarea prin intermediul cuplei pasive de rotație 73, elementului 74 care la rândul lui este conectat plăcii 9 de legătură 52 prin cupla de rotație 73a. Acul de tratament 50 este atașată plăcii de legătură 52 prin intermediul cuplei cardanice 51. 11

Cel de al doilea mecanism 49 este prezentat în fig. 5b și reprezintă mecanismul de orientare al acului de livrare a tratamentului. Prin acționarea moto-reductorului 81 conectat 13 la tija filetată 90 care prin rotație declanșează deplasarea liniară a cuplei de translație (piuliță) 91-q₄., țeava 93 este atașată rigid cuplei de translație 92. Moto-reductorul 82 15 acționează tija filetată 87 care declanșează deplasarea liniară a cuplei de translație 84-q₅.. Elementul 86 este atașat cuplei de translație 84 prin intermediul cuplei de rotație pasivă 85 17 și prin intermediul cuplei de rotație 92 este atașată barei 94 care translatează în interiorul țevii 93, la capătul barei 94 se află cupla cardanică 78 care face legătura cu suportul acului 19 de tratament 50. Prin acționarea moto-reductorului 81 rezultă o mișcare de rotație a sondei ecografice hepatice în jurul unei axe paralele cu OX în timp ce prin acționarea moto-reduc- 21 torului 82 rezultă rotația acului în jurul unei axe paralelă cu axa OY. Prin intermediul cuplelor de translație pasive formate din barele de alunecare 79 și 89 și rulmenții de alunecare 80 și 23 88 are loc deplasarea în plan vertical a întregului modul de orientare a acului de tratament.

Aplicația specifică a sistemului robotic o reprezintă realizarea tratamentului 25 laparoscopic al tumorilor hepatice neoperabile prin inserarea unui ac de livrare a medicamentelor în ficat, ac monitorizat în timp real cu ajutorul unei sonde ecografice hepatice 27 ghidată de către același sistem robotic.

Sistemul robotic prezintă o structură modulară, cu o precizie și rigiditate îmbunătățite 29 față de cele existente (în speță cele seriale), permițând o poziționare și orientare a sondei ecografice hepatice precum și a acului de tratament astfel încât să se poată livra cu ușurință 31 medicamentul spre zona afectată, cu evitarea riscului de lezare a organelor adiacente zonei hepatice. 33

Cele două module propuse au fiecare câte 5 grade de mobilitate și sunt de familia F=1, prima conținând un număr de 5 cuple active prin intermediul cărora se asigură 35 poziționarea și orientarea sondei ecografice hepatice. Cel de al doilea modul are un număr de 5 cuple active prin intermediul cărora se asigură poziționarea și orientarea acului de 37 tratament.

Claims (3)

1. Structură robotică paralelă pentru tratamentul laparoscopic al tumorilor hepatice neoperabile, compusă dintr-un prim și un al doilea modul robotic (3 și 4) dispuse pe un cadru (2) proiectat pentru a putea fi fixat pe patul unui pacient, întreaga structură fiind acționată cu ajutorul unor motoare rotative (9, 21, 18, 33, 35, 77, 60, 66, 81, 82), în care fiecare modul robotic având un număr de 5 grade de libertate și cuprinzând două mecanisme paralele (5, 6; 48, 49), prin intermediul cărora se asigură poziționarea și orientarea în jurul a două axe a unei sonde ecografice hepatice (7), respectiv a unui ac pentru livrarea tratamentului (50).

2. Structură robotică paralelă pentru tratamentul laparoscopic al tumorilor hepatice neoperabile, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, primul modul robotic (3) este compus din două mecanisme paralele (5 și 6), prin intermediul primului mecanism (5) care este prevăzut cu 3 grade de libertate realizându-se poziționarea sondei ecografice hepatice (7) în plan vertical sub acțiunea moto-reductorului (9), iarîn planul xOy sub acțiunea moto-reductoarelor (18 și 21), iar prin intermediul celui de-al doilea mecanism (6) realizându-se orientarea sondei ecografice hepatice (7), prin acționarea moto-reductorului (33) rezultând o mișcare de rotație a sondei ecografice hepatice (7) în jurul unei axe paralele Ox, în timp ce prin acționarea moto-reductorului (35) rezultă o rotație a sondei în jurul unei axe paralele cu axa Oy.

3. Structură robotică paralelă pentru tratamentul laparoscopic al tumorilor hepatice neoperabile, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, al doilea modul robotic (4) este compus din două mecanisme paralele (48 și 49), prin intermediul primului mecanism (48) care este prevăzut cu 3 grade de libertate realizându-se poziționarea acului de livrare a tratamentului (50) în plan vertical sub acțiunea moto-reductorului (77), iar in planul xOy sub acțiunea moto-reductoarelor (60 și 66), iar prin intermediul celui de-al doilea mecanism (49) realizându-se orientarea acului de livrare a tratamentului (50), prin acționarea motoreductorului (81) rezultând o mișcare de rotație a acului în jurul unei axe paralele Ox, în timp ce prin acționarea moto-reductorului (82) rezultă o rotație a acului in jurul unei axe paralele cu axa Oy.