Wykład 3 Zastosowanie robotyki w chirurgii

Transkrypt

1 Zastosowanie Robotyki w Medycynie Wykład 3 (2) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów Chirurg nie ma bezpośredniej styczności z operowaną tkanką - możliwość operowania na odległość czyli telechirurgia w oparciu o przyjęte już powszechnie określenie robotic surgery Wada opóźnienie przesyłu obrazu (wg Fabrizio ocenił że poniżej 700ms można jeszcze operować) graniczna wielkość opóźnienia 300ms, Systemy telemedyczne po raz pierwszy zastosowane przez NASA - podczas lotu kosmicznego Johna Glenna monitorowanie parametrów fizjologicznych 1965 M. DeBakey wykonał operację zastawki aortalnej w Methodist Hospital (Houston Texas) kontakt wizyjny z uniwersytetem w Genewie Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 2 1

2 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 3 2

3 Postęp telechirurgii rozwiązanie problemów technicznych związanych z opóźnieniem przekazu bezpośredniego obrazu pola operacji Transmisja płynnego, wysokiej jakości obrazu video wymaga łącza o przepustowości 90Mb/s (wg Computer Motion) Sygnały z opóźnieniem 200ms 300km (łącze przewodowe) 35km (radiolinia) Czas transmisji przez satelitę 480ms, Teleuczenie, teledoradztwo 2004 trzech astronautów zanurzonych w laboratorium 19m pod powierzchnią wody u wybrzeży Key Largo (Floryda) przeprowadziło cholecystektomię w ramach projektu NEEMO 7. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 5 Klasyfikacja robotów medycznych sposób ingerencji w ciało pacjenta Roboty nieingerujące w ciało pacjenta: Radiochirurgiczne (CyberKnife) Roboty diagnostyczne Roboty do operacji otwartych: Ortopedyczne (Mars, Robodoc, Caspar, Acrobot) Dermatologiczne (SCALPP) Roboty do operacji laparoskopowych Robot asystent sterowanie torem wizyjnych Roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 6 3

4 W trakcie operacji laparoskopowej narzędzie wprowadzane jest do wnętrza pacjenta: obrót narzędziem wokół osi przechodzącej przez otwór w powłokach skórnych i wsuwanie narzędzia przez ten otwór kinematyka robota sferycznego (OOP) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 7 Kinematyka robota sferycznego o osiach przecinających się w środku otworu w powłokach skórnych - stałopunktowość Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 8 4

5 Podstawowy problem stałopunktowości w punkcie przecięcia się osi nie ma miejsca na umieszczenie żadnych mechanizmów. Drugie utrudnienie przy każdej operacji punkt przecięcia się osi mechanizmu sferycznego znajduje się w innym miejscu Warunek stałopunktowości: Stałopunktowość pasywna, Stałopunktowość kinematyczna, Stałopunktowość aktywna, Stałopunktowość aktywna ze sprzężeniem siłowym Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10 5

6 Zastosowania robotyki w chirurgii Stałopunktowość pasywna klasyczna laparoskopia Trokar umieszczony w punkcie przejścia narzędzia przez powłoki skórne jest punktem jego podparcia. Robot Zeus: Pierwsze trzy stopnie swobody (S1 S3) kinematyka typu SCARA Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 11 Zeus S4 przegub nastawiany przed operacją i blokowany S5, S6 przeguby bierne ( nie są podłączone do napędów) swobodny obrót narzędzia S7 obrót narzędzia wokół własnej osi S8 poruszanie szczękami narzędzia Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 12 6

7 Stałopunktowość pasywna Zalety Mała liczba napędów potrzebnych do pracy robota, Lekka struktura mechaniczna Wady: Obciążenie narzędzia siłami pochodzącymi od trokara zmniejszenie dokładności pracy robota (operacje kardiochirurgiczne) Zależność położenia narzędzia od ruchów portu (trokara) Większa podatność narzędzia Zastosowanie roboty sterujące ruchem kamery laparoskopowej (robot EndoAssist) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 13 Stałopunktowość kinematyczna Roboty o strukturze szeregowej osie obrotu przecinały się poza mechanizmem Zastosowanie sterowanych przegubów oraz mechanizmów ustawczych - punkt wokół którego obraca się narzędzie. Przykład 1 dwuprzegubowy mechanizm sferyczny Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 14 7

8 Stałopunktowość kinematyczna Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 15 Stałopunktowość kinematyczna dwuprzegubowy mechanizm sferyczny wady Możliwość kolizji ramion z pacjentem ograniczona przestrzeń, Osobliwości kinematyczne przy przejściu z jednej konfiguracji do drugiej Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 16 8

9 Stałopunktowość kinematyczna Przykład 2 struktura o dwóch przegubach obrotowych i przegubie przesuwnym Pierwszym o osi prostopadłej do ciała pacjenta Drugim o osi równoległej do ciała pacjenta PROBOT Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 17 Stałopunktowość kinematyczna Przykład 2 struktura o dwóch przegubach obrotowych i przegubie przesuwnym - LER (ang. Light Endoscope Robot) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 18 9

10 Stałopunktowość kinematyczna Przykład 2 struktura o dwóch przegubach obrotowych i przegubie przesuwnym Konstrukcje lekkie, zrealizowane z wykorzystaniem prowadnic kołowych - dużo miejsca Osobliwości kinematyczne jeśli narzędzie ułożone jest prostopadle do powłok skórnych pacjenta Zabezpieczenie programowe Ograniczone możliwości w telemanipulatorach Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 19 Stałopunktowość kinematyczna Przykład 3 mechanizm równoległowodu jeden z elementów obraca się wokół osi znajdującej się całkowicie poza mechanizmem Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 20 10

11 Stałopunktowość aktywna Struktury otwarta przegubowa (antropomorficzna), Struktura zamknięta - platforma Stewarta Realizowana z wykorzystaniem nadmiarowego układu kinematycznego robot ma dwa dodatkowe stopnie swobody, Stałopunktowość realizowana na poziomie sterowania Zalety: Zwarta struktura i mniejsza masa (brak biernych stopni swobody i rozbudowanych układów równoległowodów) Duża dokładność, Duża przestrzeń robocza. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 21 Stałopunktowość aktywna Neuro Mate Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 22 11

12 Stałopunktowość aktywna PathFinder Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 23 Stałopunktowość aktywna Wady Większa liczba serwonapędów większa awaryjność Synchronizacja serwonapędów Sterowanie Wyznacza się na podstawie położenia zadanego narzędzia oraz ustalonego położenia trokaru zadane położenia wszystkich przegubów Robot jako całość regulacja centralna sterowanie wektorem momentów napędów na podstawie modelu geometrycznego, kinematycznego i dynamicznego w taki sposób aby obliczona reakcja na porcie była mniejsza od zadanych wartości Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 24 12

13 Manipulator AESOP (Automated Endoscopic System for Optimal Positioning) Computer Motion W roku 1994 AESOP 1000 pierwszy robot chirurgiczny zatwierdzony przez FDA W roku 1996 AESOP 2000 system kontroli głosu W roku 1998 AESOP 3000 poprawiono sposób pozycjonowania laparoskopu Do roku 1999 przeprowadzono ponad procedur chirurgicznych 13

14 Manipulator AESOP wyposażono w laparoskop Sterowanie za pomocą głosu operatora AESOP left Konsola manipulatora montowana do stołu operacyjnego Usprawnienie pracy zespołu operacyjnego Precyzyjny ruch końcówki laparoskopu w polu operacyjnym Uproszczona struktura manipulatora AESOP LRR Liniowy reprezentuje ruch podnoszenia ręki wysuwanie/wsuwanie laparoskopu Dwa obrotowe reprezentują bark i łokieć 14

15 Pełna struktura kinematyczna robota AESOP Zalety: Wysuwanie/wsuwanie laparoskopu, Ruch końcówki laparoskopu w prawo/lewo wewnątrz ciała pacjenta Ruch w górę/dół, Rotacja wokół własnej osi 15

16 Computer Motion 1999 Budowa trzy oddzielne ramiona mocowane do stołu operacyjnego Laparoskop Dwa ramiona narzędzia laparoskopowe Narzędzia dodatkowy stopień swobody (możliwość realizacji ruchów podobnych do ruchów wykonywanych przez nadgarstek człowieka) 16

17 17

18 Robot EndoAssist Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 35 RTS (Robotic Telesurgical System) system do przeprowadzania zdalnych zabiegów laparoskopowych 18

19 Zastosowanie robotyki w laparoskopii System da Vinci Intuitive Surgica Niezwykła precyzja Mała inwazyjność, Pionierskie rozwiązania technologiczne Intuicyjny interfejs Budowa modułowa Konsola sterownicza tor wizyjny 3D Platforma ramiona Narzędzia EndoWristR Zestaw laparoskopowy insuflator, wzmacniacz kamery, źródło światła, monitor 19

20 Zastosowanie robotyki w laparoskopii Zastosowanie robotyki w laparoskopii System wizyjny 3D system InSiteR Po wzmocnieniu sygnał przekazywany jest do dwóch ekranów i biokularów 20

21 Zastosowanie robotyki w laparoskopii Zastosowanie robotyki w laparoskopii 21

22 Zastosowanie robotyki w laparoskopii Narzędzia chirurgiczne EndoWristR nacięcia ciała pacjenta 1-2cm Możliwość zginania 90st 22