WO2004032752A1 - Asistente robótico para cirugía laparoscópica - Google Patents

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WO2004032752A1
WO2004032752A1 PCT/MX2003/000080 MX0300080W WO2004032752A1 WO 2004032752 A1 WO2004032752 A1 WO 2004032752A1 MX 0300080 W MX0300080 W MX 0300080W WO 2004032752 A1 WO2004032752 A1 WO 2004032752A1
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robotic
robotic system
laparoscope
electronic
computer
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PCT/MX2003/000080
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Inventor
Arturo MINOR MARTÍNEZ
José Luis MOSSO VÁZQUEZ
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Centro De Investigación Y De Estudios Avanzados Del Instituto Politécnico Nacional
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/361—Image-producing devices, e.g. surgical cameras

Definitions

  • Robotic assistant for laparoscopic surgery is a Robotic assistant for laparoscopic surgery.
  • the present invention relates to the medical examination of organs or cavities of the body by means of devices or devices that develop anatomical spaces in them by means of laparoscopic procedures and which are useful for assisting surgeries that require such procedures.
  • Traditionally surgery assisted by laparoscopic procedures is usually carried out as follows. Once the surgeon has determined the organ to operate in the patient in the thoracic or abdominal area, it is introduced through a hole (3) made to the patient with constant pressure carbon dioxide to have an adequate work space, creating a dome ( 4) Work (hereinafter referred to simply as a dome), through another hole or the same, and near the organ to operate a laparoscope (2) is introduced that has in one of its ends a microcamera (1).
  • the laparoscope is a rigid optical fiber and its function is to transmit light inside the dome and subsequently transmit the image outside in real time of what exists inside the dome and display it on a high resolution monitor. Finally, through another or other holes, the necessary instruments are introduced to perform the surgical intervention.
  • Another problem is that the fatigue human assistant can shake the laparoscope and move the image that the doctor observes during the procedure, making it difficult for the surgeon to need the necessary precision; Obviously, this type of involuntary movements that occur during the operation of the laparoscope are undesirable for surgical intervention.
  • One of the solutions that have been offered to solve this problem is the manipulation of the laparoscope by using robots ' 51 '' 6 " 71 '' 8 ⁇ 9 " 10 " 11 " 12 " 13 " 141 '! 151 '! 16 " 71 , allowing greater precision than the previous procedures in the manipulation inside the dome during surgery. These robots can be activated by voice, keyboard and joystick or by game lever.
  • the physical configurations of the robots used are different, and depend on the manufacturer or the laboratory where the research takes place.
  • the role of the robotic or human assistant during this surgery is that during the movement of the laparoscope, it respects the integrity of the entrance hole, even when moving in all directions, and also freely enters or exits the dome complemented with the direction As can be seen in Figure 1. This requirement is important, since not doing so runs the risk of tearing the dermis or superficial skin, causing unnecessary and serious damage to the patient.
  • the design of the assistant of the present invention guarantees that no electric current flows to the patient through the assistant, thereby avoiding the risk of electrocution.
  • the eradication of this effect is guaranteed within the design by using an insulating material holder (13) that decouples the electrical contact between the robot and the laparoscope that has direct contact with the patient (see figure 4).
  • FIG. 1 The movement that the laparoscope must respect in the entrance hole of the work dome is observed.
  • the laparoscope can enter and exit the dome, as well as move in any direction.
  • Figure 2 An isometric view of the assistant robot set consisting of four active joints plus a passive joint is observed.
  • Figure 3 An isometric view of the assistant robot set consisting of four active joints plus a passive joint attached to a flat top surface is observed.
  • FIG. 5 A general diagram for the activation of the robotic assistant is described, starting from the user-electronic interface, followed by a programming control stage and ending in an electronic control stage achieving the robot movement.
  • Figure 6 The electronic control stage responsible for the movement of each robot joint is shown, starting from the output of the signal from the interface's output port (computer or microcontroller) until its arrival to the motor located in each joint.
  • FIG. 7 The integral activation diagram of the robotic assistant is shown, including the stages of program control and electronic control.
  • one of the objectives of the present invention is to have an assistant robot for laparoscopic surgery that overcomes these problems and represents a technical and commercial option for use in this type of surgical interventions.
  • Another objective of the present invention is to have an assistant robot for laparoscopic surgery that allows different degrees of adaptability in the navigation movement during surgical interventions that require it.
  • Another of the objectives of the present invention is to have a robot assistant for simple laparoscopic surgery in its structure, with which its maintenance and spare parts are more accessible, as well as safe and precise use.
  • Another objective of the present invention is to have a simple and secure system for securing the laparoscppio to the robotic assistant that allows the isolation of electrical leaks from the robot that can be transmitted to the patient through the laparoscope, providing electrical safety during surgical intervention.
  • the robotic assistant of the present invention allows greater adaptability in movement, self-adaptation of its position to the entrance hole and smooth navigation without disturbing the patient's tissue.
  • the considerations and design criteria proposed for the assistant robot of the present invention allow eliminating the high computing or programming cost to perform the same navigation task as that of current commercial robots, since the placement of the laparoscope with the assistance of the robot in the entrance hole adapts itself.
  • the assistant robot of the present invention consists of a base, a column, an articulated arm capable of holding the laparoscope through a passive joint, a programmable and electronic control system and software that allows precision and navigation. inside the patient's cavity with the help of the surgeon.
  • the means of interaction with the robot can be diverse, depending on the man-machine communication interface that is intended to be established, however despite the fact that any surgeon-robot interface works for the purposes of the present invention, it is preferred to use a system of video game for its ergonomic handling characteristics.
  • the robotic assistant is formed of active joints equipped with motors, and a passive joint, which together allow the movement of the same.
  • an active joint will be one that moves due to an electric (motor), pneumatic, hydraulic effector or to one capable of causing a movement.
  • the passive joint can be of any type, preferably rotary.
  • the robotic assistant design of the present invention even allows it to change position to ensure its operation and to allow efficient handling and Versatile of the same, for example, can be attached by means of its base to any flat surface of the surgical room such as the ceiling (see figure 3) or the walls, or to any flat surface of the furniture used for surgery, as in the intervention tables surgical
  • the robotic arm has an electronic system that allows to control the movement of the base (5), column (6), arm (7) and wrist (8).
  • Each of the aforementioned engines can be controlled electronically from a personal computer connected to the robotic assistant through an output port such as the parallel, serial or USB port with a software program that follows the flow chart presented in the figure no.
  • the robotic assistant of the present invention respects the way in which the laparoscope (2) must rest on the entrance hole (3) in the abdominal wall during surgery and perform navigation as described graphically in Figure 1. This prevents, on the one hand, tears in the patient's skin during navigation, and provides greater control of the doctor during manipulation, since the laparoscope can be entered successively and rotated to explore and approach the tissue or organ to analyze, cut, cauterize, etc. Also during handling, the user makes an approach of the robot to the patient's insertion point, using a user-electronic interface such as a joystick as a control system.
  • the assistant robot consists of a base (5) that supports the arm (7), which inside has an electromechanical system that allows the robot's column (6) It can rotate freely up to 360 degrees, either from right to left or from left to right.
  • An electromechanical system (31) capable of moving the robot's arm is located at the top of the column, the latter's movement being up and down.
  • At one end of the robot arm there are two electromechanical systems, one of them (9) with a movement in the same direction as the base and the other integrated in a linear guide (10) that describes a linear movement.
  • This arrangement allows all active joints to contribute to the movement of the last passive joint, where the laparoscope holder is placed.
  • a laparoscope holder which is a device for clamping and uncoupling the laparoscope consisting of: a) a lower block that in its upper central part contains a semicircular shaped hole, b) an upper block that In its lower central part it contains a hole in a semicircular shape, at one of its ends it has a mechanical lock and where the block is attached at one of its faces to one of the ends of a rectangular shaped block that in its upper part It contains a square-shaped hole, and where the lower and upper blocks are joined together by the opposite end where the mechanical lock is located and which, when joined by its central part, form a circular hole.
  • the laparoscope holder (13) of the present invention is made of high mechanical and electrical resistance plastic, which allows the patient to be electrically isolated from any electrical leakage coming from the robot, providing electrical safety.
  • the laparoscope holder consists of a rectangular block (32) that can be constructed with materials of high mechanical and electrical resistance (for example, plastic), containing at the top a square hole (33) so that during the rotation or movement of the laparoscope, the block does not move from its central position. In its lower part the block is divided into two parts (34,
  • both parts are joined by one of its ends (36).
  • a circular hole is formed in the central part (37), hole through which the laparoscope enters.
  • both parts are joined and secured by a metallic mechanical insurance (15); in this way the laparoscope is firmly attached forming a single block.
  • the mechanical lock (15) is removed manually by releasing both parts.
  • the laparoscope holder is finally integrated to the robot through the hole in a square shape (33) located in the upper part of the rectangular block, by means of a metal extension (12) with a square shape in its final part and thread. In this way, the mechanical extension is secured with a nut; at its other end, the extension is attached to the passive joint of the robot.
  • This portalaparoscope being of a material of high electrical resistance, electrically decouples the robot from the patient, totally eliminating the risk of an electric shock to the patient and contributing to not requiring a stage of electrical protection of the robot, which results in a Lower cost in the proposed design.
  • the motors (30) of each joint are controlled from a personal computer by means of a user-electronic interface (16) which can be a computer, joystick, keyboard, joypad, mouse, head movement, eye movement, perceptual movement or others that are convenient for communication with the computer, through a program (see figure 7 left panel) as well as microcontrollers of any type, DSP, PLC or any other electronic means that allows communication with the assistant robotic
  • This program initially (21) writes to the output port of the computer an eight bit word equal to zero (22), implying that all outputs of this port have a digital zero and consequently no motor and articulation associated with the robot moves ;
  • the output ports that can be used for communication purposes with the robot system can be the parallel, serial or other convenient port.
  • the program asks for the digital status of each of the parts of the user-electronic nterfase (23) in this case A such as the game system buttons (joypad) used as a control, and which is activated by the user. If any of the buttons is activated, (this is reflected as a change in value in any of the variables used in the program) then a specific digital word (25, 26, 27, 28) is written to the output port of the computer (29) and that is electronically related to the power system (20) of each motor that controls the movements of each robot joint. This causes the digitally associated motor (30) to be activated with a direction and speed adequate. In this way the user performs a visual feedback with the robot using the user-electronic interface, thus achieving navigation within the dome.
  • A such as the game system buttons (joypad) used as a control, and which is activated by the user. If any of the buttons is activated, (this is reflected as a change in value in any of the variables used in the program) then a specific digital
  • the integral control system that allows the control and movement of the robot is not limited to being implemented in a personal computer, since it can be adapted to a microcontroller, a DSP, a microprocessor or other device that allows carrying out, through the system of Control described, the user's communication with the robot.
  • This system allows for its versatility, connectivity to the personal computer of the most immediate robotic assistant and without the use of complicated installation procedures or hardware specially designed to achieve its operation.
  • the use of the computer's output port (29) to achieve communication between it and the robotic assistant, allows a very important simplification of the connectivity between these elements.
  • the movement of the robotic assistant is achieved from different stages as can be seen in Figure 5.
  • the computer From the activation by the user of the user-electronic interface (16), the computer performs a control stage by programming (17) in which it is detected if the interface has been activated by the user, which then triggers the activation of the electronic control stage (18) which is what allows the movement of each associated motor (30) to be generated to the active joints of the robotic assistant.
  • the movement of each of the active joints of the robotic assistant of the present invention is achieved from the programmed activation of the associated motors (30) to each of them.
  • This activation is possible from an electronic stage (18) (see figure 6), which starts from the digital output of the output port (29), for example from a computer, triggering an electronic coupling stage (19 ).
  • electronic optocouplers can be used, whereby there is no direct electronic connection between the control stage and the power stage (20) which is subsequently carried out in the electronic activation stage (18);
  • This design allows the connection between the control and power stage (20) to be made by light.
  • two optocouplers per motor can be used, making it possible, in this way, to transfer two control signals that enable the motor (30) to be activated in any direction and at the specified program speed.
  • the power stage (20) is continued, which allows the control signals to be related to the electrical power required for each motor (30). This same mechanism is applied to each active joint of the robotic assistant of the present invention.
  • the design of the robotic assistant of the present invention allows greater adaptability in movement and positioning during surgery and surgical exploration.
  • the software used also allows the parallel port of any personal computer to be used to extract data for the control of the robot, making the port an interface compatible with the robot and any computer.

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Abstract

La presente invención se relaciona con robots asistentes para cirugía laparoscópica de articulaciones activas y pasivas que aseguran una manipulación más precisa del laparoscopio durante la intervención quirúrgica de pacientes, disminuyendo el riesgo de daños traumáticos en el tejido y órganos del área de ingreso y de navegación de éste.

Description

Asistente robótico para cirugía laparoscópica.
Campo de ¡a invención.
La presente invención se relaciona a la exploración médica de órganos o cavidades del cuerpo mediante dispositivos o aparatos que desarrollan espacios anatómicos en ellos mediante procedimientos de laparoscopia y que son útiles para asistir cirugías que requieren de tales procedimientos.
Antecedentes de la invención. Dentro del campo médico se han desarrollado múltiples técnicas quirúrgicas e instrumentos que han permitido la realización de cirugías evitando grandes incisiones en el cuerpo del paciente y que provocaban un mayor riesgo de infecciones intra-hospitalarias así como un mayor daño a tejidos, hecho que dificultaba en muchas ocasiones la recuperación completa después de la cirugía. Una de las técnicas que ha evitado éste tipo de manipulación en los pacientes durante la cirugía son los procedimientos de laparoscopia, los cuales además permiten desarrollar espacios anatómicos adecuados para permitir la visualización de los órganos y de la misma manipulación dentro del cuerpo. Hasta la fecha se han diseñado múltiples aparatos e instrumentos para la exploración laparoscópica, dentro de los cuales se pueden citar los diseñados por Kieturakis dotado de un balón inflable[1], para la intervención de cirugía espinal121, sistemas automáticos asistidos por robot[3],[18],[19],[20] y accesorios para intervención laparoscópica141 entre otros. A pesar de que los procedimientos de laparoscopia evitan el uso de métodos más invasivos durante la cirugía, tales procedimientos han representado hasta la fecha una serie de inconvenientes, tanto en la manipulación como en los dispositivos diseñados para tal fin.
Tradicionalmente la cirugía asistida por procedimientos de laparoscopia se lleva normalmente de la siguiente manera. Una vez que el cirujano ha determinado el órgano a operar en el paciente en la zona torácica o abdominal, se introduce por un orificio (3) realizado al paciente bióxido de carbono a presión constante para tener un espacio de trabajo adecuado, creando un domo (4) de trabajo (de aquí en adelante se mencionara simplemente como domo), por otro orificio o el mismo, y cerca del órgano a operar se introduce un laparoscopio (2) que tiene en uno de sus extremos una microcámara (1). El laparoscopio es una fibra óptica rígida y la función de ésta es trasmitir luz al interior del domo y posteriormente trasmitir la imagen al exterior en tiempo real de lo que existe al interior del domo y exhibirla en un monitor de alta resolución. Finalmente por otro u otros orificios, se introducen los instrumentos necesarios para realizar la intervención quirúrgica.
En este procedimiento el cirujano requiere estar observando todo el tiempo el órgano o tejido a operar así como las herramientas que utiliza dentro del domo, y esto lo hace por el monitor ubicado frente a él. Por esta razón el cirujano requiere que el laparoscopio se mueva de acuerdo a sus necesidades visuales dentro del domo para poder ver mejor el órgano a operar y realizar un mejor trabajo de cirugía. Para realizar esto, un asistente humano controla el laparoscopio hacia diferentes direcciones donde verbalmente le indica el cirujano que está ejecutando el procedimiento quirúrgico. El cirujano principal realiza la navegación dentro del domo con la ayuda del asistente. Este método de navegación asistido por otro médico presenta un retardo temporal importante, debido a la comunicación subjetiva que puede haber entre el cirujano y el asistente. Expresiones dadas durante la cirugía tales como "mover a la derecha un poquito" son muy frecuentes, con lo cual la comunicación verbal es imprecisa, generando magnitudes de desplazamiento ambiguos, difíciles de cuantificar para el asistente y que solamente el cirujano principal sabría cual es la medida correcta de desplazamiento para que se pueda realizar correctamente la aproximación visual al órgano o tejido durante la cirugía.
Otro de los problemas es que el asistente humano por cansancio puede hacer temblar el laparoscopio y mover la imagen que observa el médico durante la intervención, dificultando la precisión necesaria que necesita el cirujano; evidentemente, este tipo de movimientos involuntarios que se dan durante el manejo del laparoscopio son indeseables para la intervención quirúrgica. Una de las soluciones que se han ofrecido a la resolución de éste problema es la manipulación del laparoscopio mediante la utilización de robots'51''6"71''8^9"10"11"12"13"141'!151'!16" 71, permitiendo una mayor precisión que los procedimientos anteriores en la manipulación dentro del domo durante la cirugía. Estos robots pueden ser activados por voz, teclado y joystick ó bien por palanca de juegos. Las configuraciones físicas de los robots utilizados son diferentes, y dependen del fabricante o del laboratorio donde se desarrolle la investigación. La función que debe cumplir el asistente robótico o humano durante esta cirugía, es que durante el movimiento del laparoscopio, éste respete la integridad del orificio de ingreso, aun cuando se mueva hacia todas direcciones, y además ingrese o salga libremente del domo complementada con la dirección como se aprecia en la figura 1. Este requisito es importante, pues de no hacerlo se corre el riesgo de rasgar la dermis o la piel superficial, provocando daños innecesarios y que pueden ser graves al paciente.
El ingreso del laparoscopio por el medio robótico debe ser discreto para que no dañe algún órgano o tejido. Esto implica que durante la navegación dentro del domo (4) el cirujano debe tener mucha precaución pues desconoce el valor real de tensión del camino de navegación y su relación con él solo es visual. En todos los diseños de asistentes robóticos para cirugía laparoscópica conocidos hasta el momento, se utilizan más de cinco grados de libertad; considerando que cada grado de libertad implica un costo adicional en factores tales como peso, electrónica, diseño mecánico, programación, mantenimiento (preventivo y correctivo), entre otros, la reducción de grados de libertad del diseño de la presente invención permite generar ahorros substanciales en los factores anteriormente mencionados. Adicionalmente es necesario contar con dispositivos en los cuales pueda colocarse el laparoscopio de manera para que no existan fugas de energía eléctrica al paciente, esto debido a que el robot entra en contacto con fuentes de corriente eléctricas y que de manera indirecta entran en contacto con el paciente a través del laparoscopio. Esto representa un inconveniente importante en los diseños actuales, ya que éste tipo de fugas eléctricas de no ser aisladas pueden provocar desde daños en los tejidos abiertos del paciente durante la cirugía hasta la muerte.
En éste sentido, el diseño del asistente de la presente invención garantiza que no fluye corriente eléctrica hacia el paciente a través del asistente, evitando con ello el riesgo de electrocución. La erradicación de éste efecto está garantizada dentro del diseño al utilizar un portalaparoscopio (13) de material aislante que desacopla el contacto eléctrico entre el robot y el laparoscopio que tiene contacto directo con el paciente (ver figura 4).
El contar con robots asistentes para cirugía laparoscópica que aseguren una manipulación precisa durante la intervención quirúrgica, que eliminen o disminuyan el riesgo de daños traumáticos en el tejido y órganos del área de ingreso con lo cual la recuperación del paciente es mucho más rápida y que sean accesibles, es de mucho interés en el campo médico.
Breve descripción de las figuras.
Figura 1. Se observa el movimiento que debe respetar el laparoscopio en el orificio de ingreso del domo de trabajo. El laparoscopio puede entrar y salir del domo, así como también moverse en cualquier dirección.
Figura 2. Se observa una vista isométrica de conjunto del robot asistente compuesto de cuatro articulaciones activas más una articulación pasiva.
Figura 3. Se observa una vista isométrica de conjunto del robot asistente compuesto de cuatro articulaciones activas más una articulación pasiva sujeta a una superficie superior plana.
Figura 4. Se observ una vista isométrica (Panel A) y frontal (Panel B) de conjunto del portalaparoscopio de la presente invención.
Figura 5. Se describe un diagrama general para la activación del asistente robótico, iniciándose desde la interfase usuario-electrónica, seguido de una etapa de control por programación y finalizando en una etapa de control electrónico lográndose el movimiento del robot. Figura 6. Se muestra la etapa de control electrónico responsable del movimiento de cada articulación del robot, comenzando desde la salida de la señal del puerto de salida de la interfase (computador ó microcontrolador) hasta su llegada hasta el motor localizado en cada articulación.
Figura 7. Se muestra el diagrama integral de activación del asistente robótico, incluyendo las etapas de control por programación y control electrónico.
Descripción del invento.
Es por ello que uno de los objetivos de la presente invención es el contar con un robot asistente para cirugía laparoscópica que supere éstos problemas y que represente una opción técnica y comercial para su uso en éste tipo de intervenciones quirúrgicas.
Otro de los objetivos de la presente invención es el de contar con un robot asistente para cirugía laparoscópica que permita diferentes grados de adaptabilidad en el movimiento de navegación durante intervenciones quirúrgicas que requieran de ello.
Otro de los objetivos de la presente invención es el de contar con un robot asistente para cirugía laparoscópica sencillo en su estructura, con la cuaj su mantenimiento y refacciones es más accesible, así como de uso seguro y preciso.
Otro de los objetivos de la presente invención es el de contar con un sistema sencillo y seguro de sujeción del laparoscppio al asistente robótico que permita el aislamiento de fugas eléctricas del robot que puedan ser transmitidas al paciente a través del laparoscopio, proporcionando seguridad eléctrica durante la intervención quirúrgica.
El asistente robótico de la presente invención, permite una mayor adaptabilidad en el movimiento, auto-adaptación de su posición al orificio de ingreso y una navegación suave sin molestar el tejido del paciente. Las consideraciones y criterios de diseño propuestas para el robot asistente de la presente invención permiten eliminar el alto costo informático o de programación para realizar la misma tarea de navegación que la de los actuales robots comerciales, pues la colocación del laparoscopio con la asistencia del robot en el orificio de ingreso se auto-adapta. En general, el robot asistente de la presente invención consta de una base, una columna, un brazo articulado capaz de sujetar el laparoscopio a través de una articulación pasiva, un sistema de control por programación y electrónico y un software que permite dar precisión y navegar dentro de la cavidad del paciente con la ayuda del cirujano. Los medios de interacción con el robot pueden ser diversos, dependiendo de la interfase de comunicación hombre-máquina que se pretenda establecer, sin embargo a pesar de que cualquier interfase cirujano-robot funciona para los fines de la presente invención, se prefiere usar un sistema de videojuego por sus características ergonómicas de manipulación.
Así mismo el asistente robótico está formado de articulaciones activas dotadas de motores, y de una articulación pasiva, que en conjunto permiten el movimiento del mismo. Para los fines de la presente invención, una articulación activa será aquella que se mueve debido a un efector eléctrico (motor), neumático, hidráulico o bien a alguno capaz de provocar un movimiento. Así mismo, la articulación pasiva puede ser de cualquier tipo, preferentemente rotatoria.
El diseño del asistente robótico de la presente invención, permite incluso cambiarlo de posición para asegurar su funcionamiento y para permitir un manejo eficiente y versátil del mismo, por ejemplo, puede sujetarse mediante su base a cualquier superficie plana del cuarto quirúrgico como el techo (ver figura 3) o las paredes, o bien a cualquier superficie plana del mobiliario utilizado para la cirugía, como en las mesas de intervención quirúrgica. Con la finalidad de activar a cada uno de los motores de las articulaciones activas, el brazo robótico tiene un sistema electrónico que permite controlar el movimiento de la base (5), columna (6), brazo (7) y muñeca (8). Cada uno de los motores mencionados pueden controlarse electrónicamente desde una computadora personal conectada al asistente robótico a través de un puerto de salida como puede ser el puerto paralelo, serial ó USB con un programa de software que sigue el diagrama de flujo que se presenta en la figura no. 7, o bien a través de un micro- controlador , DSP u otro dispositivo que disponga de puertos de entrada, de salida y de capacidad de memoria para establecer la misma función descrita. Con el asistente robótico de la presente invención se respeta la manera en que el laparoscopio (2) debe apoyarse en el orificio de ingreso (3) en la pared abdominal durante la cirugía y realizar la navegación como se describe gráficamente en la figura 1. Esto evita por una parte, desgarres en la piel del paciente durante la navegación, y proporciona un mayor control del médico durante la manipulación, ya que se podrá ingresar sucesivamente y rotar el laparoscopio para explorar y acercarse al tejido o al órgano a analizar, cortar, cauterizar, etc. Así mismo durante la manipulación, el usuario realiza una aproximación del robot hasta el punto de inserción del paciente, utilizando una interfase usuario-electrónica como por ejemplo un joystick como sistema de control. Una vez insertado el laparoscopio, el usuario utilizando el joystick desplaza cada una de las articulaciones activas hasta llegar al lugar de exploración. Utilizando la misma metodología con el joystick, el usuario puede navegar y realizar la cirugía de manera efectiva y precisa. En la presente invención (figura 2, figura 3), el robot asistente consta de una base (5) que soporta al brazo (7), la cual en su interior dispone de un sistema electromecánico que permite que la columna (6) del robot pueda girar libremente hasta 360 grados, ya sea de derecha a izquierda o de izquierda a derecha. En la parte superior de la columna se localiza un sistema electromecánico (31) capaz de mover al brazo del robot, siendo el movimiento de éste último hacia arriba y abajo. En uno de los extremos del brazo del robot se dispone de dos sistemas electromecánicos, uno de ellos (9) con un movimiento en la misma dirección de la base y el otro integrado en una guía lineal (10) que describe un movimiento lineal.
Esta disposición permite que todas las articulaciones activas contribuyan a darle el movimiento a la última articulación pasiva, donde es colocado el portalaparoscopio
(13). En ésta guía lineal (10), que puede ser removible, se sujeta una articulación pasiva giratoria (11) que en su parte final sujeta mecánicamente, mediante una extensión adosada a ésta última articulación (12), el portalaparoscopio (13) que es donde descansa el laparoscopio (1, 2). Este portalaparoscopio (13) está sujeto mecánicamente en uno de sus extremos (14) a la extensión de la articulación pasiva (12), y en el otro extremo dispone de un seguro mecánico (15) para quitar, colocar y asegurar el laparoscopio (1, 2) fácilmente.
En la presente invención, se incluye un portalaparoscopio el cual es un dispositivo para la sujeción y desacoplamiento eléctrico del laparoscopio que consta de: a) un bloque inferior que en su parte central superior contiene un orificio en forma semicircular, b) un bloque superior que en su parte central inferior contiene un orificio en forma semicircular, en uno de sus extremos tiene un seguro mecánico y en donde el bloque se encuentra unido en una de sus caras a uno de los extremos de un bloque de forma rectangular que en su parte superior contiene un orificio de forma cuadrada, y en donde los bloques inferior y superior están unidos entre sí por el extremo opuesto a donde se encuentra el seguro mecánico y que al unirse por su parte central forman un orificio circular.
El portalaparoscopio (13) de la presente invención, está fabricado en plástico de alta resistencia mecánica y eléctrica, lo que permite aislar eléctricamente al paciente de cualquier fuga eléctrica proveniente del robot proporcionándole seguridad eléctrica. Solo a manera de ilustración y según como se observa en la figura 4, el portalaparoscopio consta de un bloque rectangular (32) que puede ser construido con materiales de alta resistencia mecánica y eléctrica (por ejemplo, plástico), conteniendo en la parte superior un orificio de forma cuadrada (33) para que durante la rotación o movimiento del laparoscopio, el bloque no se desplace de su posición central. En su parte inferior el bloque está dividido en dos partes (34,
35), pero ambas están unidas por uno de sus extremos (36). Al unir ambas partes, se forma un orificio circular en la parte central (37), orificio por donde entra el laparoscopio. Para sujetar el laparoscopio, ambas partes se unen y se aseguran mediante un seguro mecánico metálico (15); de ésta manera el laparoscopio queda firmemente sujeto formando un solo bloque. Para separar el laparoscopio, se quita el seguro mecánico (15) manualmente liberando ambas partes. El portalaparoscopio finalmente se integra al robot a través del orificio en forma cuadrada (33) localizado en la parte superior del bloque rectangular, por medio de una extensión metálica (12) con forma cuadrada en su parte final y rosca. De ésta manera, con una tuerca se sujeta la extensión mecánica; en su otro extremo, la extensión se sujeta a la articulación pasiva del robot. Este portalaparoscopio, al ser de un material de alta resistencia eléctrica, desacopla eléctricamente al robot del paciente, eliminando totalmente el riesgo de un choque eléctrico al paciente y contribuyendo a que no se requiera de una etapa de protección eléctrica del robot, que redunda en un menor costo en el diseño propuesto.
Con respecto al asistente robótico de la presente invención, los motores (30) de cada articulación son controlados desde una computadora personal mediante una interfase usuario-electrónica (16) que puede ser una computadora, joystick, teclado, joypad, mouse, movimiento cefálico, movimiento ocular, movimiento perceptual u otros que sean convenientes para la comunicación con la computadora, a través de un programa (ver figura 7 panel izquierdo) así como microcontroladores de cualquier tipo, DSP, PLC o cualquier otro medio electrónico que permita comunicación con el asistente robótico. Este programa inicialmente (21) escribe al puerto de salida de la computadora una palabra de ocho bits igual a cero (22), implicando que todas las salidas de éste puerto tengan un cero digital y en consecuencia ningún motor y articulación asociada al robot se mueve; los puertos de salida que pueden ser utilizados para los fines de comunicación con el sistema del robot pueden ser el puerto paralelo, serial u otro conveniente. Después el programa pregunta por el estado digital de cada uno de las partes de la ¡nterfase usuario-electrónica (23) en éste casoA como por ejemplo los botones del sistema de juegos (joypad) utilizadas como control, y que es activada por el usuario. Si alguno de los botones es activado, (esto se refleja como un cambio de valor en alguna de las variables utilizadas en el programa) entonces se procede a escribir una palabra digital especifica (25, 26, 27, 28) en el puerto de salida de la computadora (29) y que está relacionada electrónicamente con el sistema de potencia (20) de cada motor que controla los movimientos de cada articulación del robot. Esto provoca que el motor asociado digitalmente (30) sea activado con una dirección y velocidad adecuadas. De ésta manera el usuario realiza una retroalimentación visual con el robot utilizando la interfase usuario-electrónica., logrando así la navegación dentro del domo.
En el momento que el usuario o cirujano desactiva la ¡nterfase usuario-electrónica (24), el programa escribe en el puerto de salida una vez mas la palabra digital cero
(22) para que el motor (30) de la articulación deje de moverse. Este procedimiento se realiza por ejemplo, con todos los botones del joypad indefinidamente, haciendo por este método que el usuario realice las aproximaciones y la navegación con el robot durante la cirugía, hasta que el usuario apaga eléctricamente al robot o suspende el programa de activación.
El sistema de control integral que permite el control y movimiento del robot no está limitado a ser implementado en una computadora personal, dado que puede adaptarse a un microcontrolador, un DSP, un microprocesador u otro dispositivo que permita llevar a cabo, mediante el sistema de control descrito, la comunicación del usuario con el robot.
Este sistema permite por su versatilidad, una conectividad a la computadora personal del asistente robótico más inmediata y sin el uso de complicados procedimientos de instalación o hardware especialmente diseñado para lograr su funcionamiento. El uso del puerto de salida de la computadora (29) para lograr la comunicación entre ésta y el asistente robótico, permite una muy importante simplificación de la conectividad entre estos elementos.
En general, el movimiento del asistente robótico se logra a partir de diferentes etapas como puede observarse en la figura 5. A partir de la activación por el usuario de la interfase usuario-electrónica (16), la computadora realiza una etapa de control por programación (17) en la cual se detecta si la interfase ha sido activada por el usuario, con lo cual se desencadena posteriormente la activación de la etapa de control electrónico (18) que es la que permite generar el movimiento de cada motor (30) asociado a las articulaciones activas del asistente robótico. Como se ha descrito, el movimiento de cada una de las articulaciones activas del asistente robótico de la presente invención se logra a partir de la activación programada de los motores asociados (30) a cada una de ellas. Dicha activación es posible a partir de una etapa electrónica (18) (ver figura 6), la cual comienza a partir de la salida digital del puerto de salida (29), por ejemplo de una computadora, desencadenando una etapa de acoplamiento electrónico (19). En ésta etapa adicionalmente se pueden utilizar optoacopladores electrónicos, con lo cual no existe conexión electrónica directa entre la etapa de control y la etapa de potencia (20) que posteriormente se realiza en la etapa electrónica de activación (18); este diseño permite que la conexión entre la etapa de control y potencia (20) pueda realizarse por luz. Dentro del diseño de la etapa electrónica pueden utilizarse adicionalmente dos optoacopladores por motor haciendo posible, de ésta manera, la transferencia de dos señales de control que permiten activar al motor (30) en cualquier dirección y a la velocidad especificada del programa. Después de la etapa de control se continua con la etapa de potencia (20), la cual permite relacionar las señales de control a la potencia eléctrica necesaria para cada motor (30). Este mismo mecanismo se aplica a cada articulación activa del asistente robótico de la presente invención.
El diseño del asistente robótico de la presente invención, permite una mayor adaptabilidad en el movimiento y posicionamiento durante la intervención y exploración quirúrgica. Así mismo el software empleado permite también utilizar el puerto paralelo de cualquier computadora personal para sacar datos para el control del robot, convirtiendo al puerto en una interfase compatible con el robot y cualquier computadora.
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Claims

Reivindicaciones.
1. Un sistema robótico médico para realizar procedimientos quirúrgicos de laparoscopía a través de un tejido abierto en un paciente, caracterizado porque comprende: a) Un miembro de soporte de un brazo robótico, b) Un brazo robótico, c) Una guía lineal removible sujeta mecánicamente al brazo robótico, d) Una articulación pasiva sujeta mecánicamente a la guía lineal, e) Un dispositivo de soporte del laparoscopio sujeto mecánicamente a la articulación pasiva dotado con un mecanismo de sujeción y desacoplamiento eléctrico del laparoscopio. f) Un sistema de control electrónico en comunicación con el brazo robótico, g) Un sistema de control por programación que regula el sistema de control electrónico y h) Una interfase usuario-electrónica.
2. El sistema robótico de la reivindicación 1 , caracterizado porque el miembro de soporte del brazo consta de una base, una columna y un mecanismo electromecánico que permite el movimiento del brazo hacia arriba y abajo.
3. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 2, caracterizado porque el brazo robótico contiene cuatro articulaciones activas.
4. El sistema robótico de la reivindicación 3, caracterizado porque las articulaciones activas se mueven debido a un efector eléctrico.
5. El sistema robótico de la reivindicación 4, caracterizado porque el efector eléctrico es un motor.
6. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 5, caracterizado porque el brazo robótico contiene dos sistemas electromecánicos los cuales regulan el movimiento en la misma dirección de la base y el movimiento lineal del brazo robótico.
7. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 6, caracterizado porque la guía lineal es una articulación de desplazamiento lineal.
8. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 7, caracterizado porque la articulación pasiva es rotatoria.
9. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 8, caracterizado porque el dispositivo de soporte del laparoscopio mantiene sujeto al laparoscopio durante la navegación quirúrgica.
10. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 9, caracterizado porque adicionalmente el sistema de control electrónico utiliza optoacopladores electrónicos.
11. El sistema robótico de la reivindicación 10, caracterizado porque el sistema de control electrónico utiliza adicionalmente dos optoacopladores electrónicos por motor permitiendo la transferencia de dos señales de control.
12. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 11 , caracterizado porque el sistema de control por programación y electrónico puede realizarse en un controlador seleccionado del grupo que consiste de computadora, microcontrolador, DSP, PLC ó microprocesador.
13. El sistema robótico de la reivindicación 12, caracteπzado porque el controlador es una computadora.
14. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 13, caracteπzado porque el sistema de control por programación se conecta al sistema robótico mediante un puerto de salida de la computadora.
15. El sistema robótico de la reivindicación 14, caracterizado porque el puerto de salida de la computadora se selecciona del puerto paralelo, serial ó USB.
16. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 15, caracterizado porque el sistema de control por programación consta de un programa de computadora.
17. El sistema robótico de la reivindicación 16, caracterizado porque el programa de computadora realiza la siguiente programación: a) Inicialmente escribe al puerto de salida de la computadora una palabra digital igual a cero, b) Después el programa pregunta por el estado digital de cada una de las partes de la interfase usuario-electrónica. Si alguna de ellas es activada, se procede a escribir una palabra digital especifica en el puerto de salida de la computadora y que está relacionada electrónicamente con el sistema de potencia de cada motor que controla los movimientos de cada articulación del robot. c) Cuando el usuario desactiva la interfase usuario-electrónica, se vuelve a leer su estado digital y se escribe en el puerto de salida una vez mas la palabra digital cero.
18. El sistema robótico de la reivindicación 1 a 17, caracterizado porque la interfase usuario-electrónica se selecciona del grupo que consiste de joystick, teclado, joypad, mouse, movimiento cefálico, movimiento ocular ó movimiento perceptual.
19. El sistema robótico de la reivindicación 18, caracterizado porque la interfase usuario-electrónica es un joypad ó joystick.
20. Un método para la activación del movimiento del sistema robótico de la reivindicación 1 a 19, caracterizado porque comprende los pasos de: a) Activar una etapa de control por programación a través de un programa de computadora, el cual ¡nicialmente escribe al puerto de salida de la computadora una palabra digital igual a cero. Posteriormente el programa pregunta por el estado digital de cada una de las partes de la interfase usuario-electrónica. Si alguna de ellas es activada, se procede a escribir una palabra digital especifica en el puerto de salida de la computadora y que está relacionada electrónicamente con el sistema de potencia de cada motor que controla los movimientos de cada articulación del robot. Cuando el usuario desactiva la interfase usuario-electrónica, se vuelve a leer su estado digital y se escribe en el puerto de salida una vez mas la palabra digital cero. b) Activar una etapa de control electrónico a partir de la salida digital del puerto de salida de la computadora desencadenando una etapa de acoplamiento electrónico utilizando optoacopladores electrónicos permitiendo la transferencia de dos señales de control que permiten activar a cada motor asociado a las articulaciones del robot en cualquier dirección y a la velocidad especificada del programa. c) Activar una etapa de potencia permitiendo relacionar las señales de control a la potencia eléctrica necesaria para cada motor.
21. Un dispositivo para sujeción y desacoplamiento eléctrico de un laparoscopio durante intervenciones quirúrgicas, caracterizado porque consiste de: c) un bloque inferior que en su parte central superior contiene un orificio en forma semicircular, d) un bloque superior que en su parte central inferior contiene un orificio en forma semicircular, en uno de sus extremos tiene un seguro mecánico y en donde el bloque se encuentra unido en una de sus caras a uno de los extremos de un bloque de forma rectangular que en su parte superior contiene un orificio de forma cuadrada, y en donde los bloques inferior y superior están unidos entre sí por el extremo opuesto a donde se encuentra el seguro mecánico y que al unirse por su parte central forman un orificio circular.
22. El dispositivo para sujetar un laparoscopio de la reivindicación 21 , caracterizado porque los bloques inferior, superior y de forma rectangular están construidos de un material de alta resistencia mecánica y eléctrica.
23. El dispositivo para sujetar un laparoscopio de la reivindicación 22, caracterizado porque el material de alta resistencia mecánica y eléctrica es plástico.
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