Zastosowanie robotyki w chirurgii

Transkrypt

1 Zastosowanie Robotyki w Medycynie Zastosowanie robotyki w chirurgii Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów Wyeliminowanie wszystkich zewnętrznych nacięć redukcja inwazyjności zabiegów chirugicznych. Dostęp do jamy otrzewnej przez naturalny otwór (technika NOTES) lub pojedyncze nacięcie wyzwanie chirurgiczne. NOTES Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery wykonywanie operacji przez naturalne otwory ciała przy użyciu endoskopu i odpowiednich narzędzi chirurgicznych. Zaleta przeprowadzenie operacji wewnątrz jamy otrzewnej bez konieczności cięcia powłok jamy brzusznej. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 2 1

2 zmniejszenie bólu pooperacyjnego, eliminuje problem zakażenia ran, minimalizuje ryzyko powstania przepuklin pooperacyjnych, pozwala zmniejszyć liczbę pooperacyjnych zrostów, efekt kosmetyczny. Technika Notes pozwala skrócić czas pobytu w szpitalu i okres powrotu do pełnej aktywności życiowej zmniejszenie całkowitego kosztu hospitalizacji. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 3 W technice NOTES istnieją trzy zasadnicze drogi dojścia do otrzewnej: górny odcinek przewodu pokarmowego (żołądek), dolny odcinek przewodu pokarmowego (górna część odbytnicy), pochwa. Droga przezżołądkowa: giętki endoskop wprowadza się przez usta chorego do żołądka, Przejście przez przednią ścianę żołądka i wejście do jamy otrzewnej (ultrasonografia). Wady: większe prawdopodobieństwo infekcji, wąska średnica otworu, trudność manewrowania. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 4 2

3 Problem stworzeni optymalnego instrumentarium. Giętkie endoskopy wykorzystywane obecnie w zabiegach NOTES cechuje zbyt mała stabilność i zwrotność, mają one często ograniczony zasięg, uniemożliwiają jednocześnie pracę kilku narzędzi. Zła jakość uzyskanego obrazu, problemy w uzyskaniu wierności odwzorowania stosunków anatomicznych pomiędzy tkankami, obraz odwrócony. Endoskopy dwukanałowe z systemem ShapeLock (utrwalenie kształtu giętkiego endoskopu). Stosowanie techniki uchwytów magnetycznych MAGS (Magnetic Anchoring and Guidance System) regulacja położenia narzędzia Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 5 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 6 3

4 Operacja LESS Laparo-Endoscopic Single-Site Surgery Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 7 Zastosowanie miniaturowych robotów (in-vivo) platforma robotyczna zainstalowana wewnątrz jamy otrzewnowej wizualizacja (rola endoskopu) W przeciwieństwie do elastycznych endoskopów - uzyskujemy sprzężenie wizyjne, które nie jest ograniczone przez oś endoskopu lub punkt penetracji. Platforma robotyczna może przemieszczać się w dowolnym kierunku jamy otrzewnej mobilny robot do obrazowania (Mobile Camera Robot) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 8 4

5 Dwa aluminiowe koła niezależnie napędzane za pomocą silników prądu stałego z magnesami trwałymi o średnicy 6mm, Silniki umieszczono w cylindrycznym korpusie, w którym umieszczono układ sterowania, kamerę i chwytak do wykonywania biopsji kamera, diody LED. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 9 Wewnętrzne i zewnętrzne średnice koła - 17mm i 20mm. Prędkość robota ok. 2cm/s. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10 5

6 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 11 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 12 6

7 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 13 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 14 7

8 Funkcjonalność robota do manipulacji ma być analogiczna do standardowych narzędzi laparoskopowych. Podstawą konstrukcji robota jest zastąpienie dwóch narzędzi laparoskopowych przez platformę z dwoma ramionami. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 15 Miniaturowe roboty medyczne Robot posiada dwa ramiona podłączone do centralnego korpusu. Każde ramię ma chwytak lub elektrodę koagulacji tkanek. W centralnej części robota zamontowano kamerę oraz diody LED do oświetlenia pola operacji. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 16 8

9 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 17 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 18 9

10 Magnesy znajdujące się w centralnym korpusie robota współdziałają z magnesami w konsoli chirurgicznej. Robot posiada dwie konfiguracje: elastyczna - umożliwia wprowadzanie, robocza - zapewnia stabilną manipulację. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 19 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 20 10

11 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 21 HeartLander (kilkucentymetrowy) wykonywanie małoinwazyjnych operacji na żywym sercu Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 22 11

12 HeartLander przemieszcza się po organizmie z prędkością 18 centymetrów na minutę W obecnej wersji robot składa się z dwóch części - przedniej i tylniej. Każda z nich ma wymiary 6,5 mm x 8 mm x 10 mm (wysokość x szerokość x długość). Robot "wchodzi" do wnętrza klatki piersiowej poprzez nacięcie (20 mm) wykonane poniżej mostka. Po dotarciu do serca, przylega do jego zewnętrznych ścianek. Operacja na sercu odbywa się pod kontrolą lekarza - urządzenie jest sterowane dżojstikiem. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 23 W obecnej wersji HeartLander do przemieszczania się wewnątrz żywego organizmu wykorzystuje układ podciśnienia do którego prowadzi przewód z podciśnieniem wytwarzanym na zewnątrz. Jest napędzany poprzez silniki znajdujące się również na zewnątrz, połączone z robotem trzema kablami. Ruch - podobny do sposobu poruszania się gąsienicy. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 24 12

13 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 25 Zalety Stabilizacja możliwość przyczepienia się do serca działanie robota nie jest zakłócone przez bijące serce Lokalizacja pomiar bezpośrednio na bijącym sercu, Ochrona płuc - system elastyczny nie narusza przestrzeni płuc Łatwa zmiana pola operacji - łatwość dostępu do każdego miejsca na powierzchni serca Tani i jednorazowy system - tańszy od systemów telemanipulacyjnych Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 26 13

14 Zastosowanie Ablacja migotania przedsionków Umieszczenie przewodów do stymulacji dwukomorowej, Zastosowanie komórek macierzystych do regeracji mięśnia serca Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 27 Roboty chirurgiczne ROBODOC Konstrukcja rozwijana od 1990, 1996 komercjalizacja Zastosowanie wspomaganie operacji wszczepiania protez stawu biodrowego precyzyjna obróbka leja w kości biodrowej, Wszczepianie protez stawu kolanowego, Kinematyka typu SCARA Na końcu ramienia frez z napędem pneumatycznym mocowany za pośrednictwem czujnika sił i momentów Przed operacją odpowiednie zaplanowanie położenia protezy oraz trajektorii obróbki 14

15 Roboty chirurgiczne Roboty chirurgiczne ROBODOC - zalety: dokładniejszy kształt gniazda (96% powierzchni implantu styka się z kością w porównaniu z 20% podczas klasycznej operacji), Mniejsze luzy między protezą a kością (0,05 mm w porównaniu z 1-4 mm), Mniejsze naprężenia punktowe w kości, 15

16 Roboty chirurgiczne Roboty chirurgiczne Robot Mars (MiniAture Robot for Surgery) SpineAssist Manipulator mocowany do ciała pacjenta, Miniaturowa struktura równoległa platforma Stewarda o 6 stopniach swobody Wymiary: 5x8x8 cm, masa 250g, Dokładność: 0,1 mm, Przeznaczenie wykonywanie operacji kręgosłupa, Dolna platforma jest sztywno montowana do struktur kostnych pacjenta za pośrednictwem dodatkowej ramy Górna platforma sterowana za pośrednictwem 6 elektrycznych serwonapędów liniowych mocowanie narzędzia chirurgicznego. 16

17 Roboty chirurgiczne Robot Mars Przestrzeń robocza zbliżona do walca o średnicy 40mm i wysokości 16mm Zaprojektowany do pracy w trybie półaktywnym pozycjonowanie i orientowanie tulei prowadzącej w określonym położeniu wprowadzenie narzędzia chirurgicznego. Roboty chirurgiczne 17

18 Roboty chirurgiczne Robot Mars etapy operacji Planowanie przedoperacyjne pozycjonowanie narzędzia trójwymiarowy model kręgosłupa pacjenta wygenerowany na podstawie danych z tomografii komputerowej Instalacja elementów mocujących robota do struktur kostnych pacjenta Rejestracja robota 4 zdjęcia kręgosłupa z zamontowaną ramą lub klamrami automatyczne łączone z obrazem z tomografii. Wyliczenie relacji między układem współrzędnych robota, anatomią pacjenta i planem operacji Roboty chirurgiczne Robot Mars etapy operacji Pozycjonowanie robota mocowanie robota do bazy, przemieszczenie do zdefiniowanej pozycji. Ręczna operacja przez tuleję prowadzącą 18

19 Roboty neurochirurgiczne SurgiScope Wspomaga operacje neurochirurgiczne, Budowa modułowa: Precyzyjne pozycjonowanie robot typu Delta (podwieszany do sufitu sali operacyjnej) 6 stopni swobody Na robocie zmontowany mikroskop chirurgiczny Wskaźnik laserowy precyzyjne definiowanie punktów w przestrzeni 3D Uniwersalny uchwyt narzędzia chirurgiczne Roboty neurochirurgiczne 19

20 Roboty radiologiczne CyberKnife Oddziaływanie na chorobowo zmienione tkanki pacjenta radiochirurgia Radiochirurgia napromieniowanie chorych tkanek przy jednoczesnej ochrony reszty ciała przed promieniowaniem Stanford University metoda precyzyjnego napromieniowania z wykorzystaniem obrazowania za pomocą komputerowej tomografii lub rezonansu magnetycznego CyberKnife: Akcelerator liniowy 6MV, Robot KUKA Dwa prostopadłe rejestratory rentgenowskie Roboty radiologiczne 20

21 Roboty radiologiczne CyberKnife Leczenie: Wykonanie tomografii komputerowej planowanie trajektorii robota tworzenie przestrzennej ścieżki ruchu akcelerometru względem pacjenta Podczas naświetlania automatycznie i w sposób ciągły określa się położenie pacjenta na podstawie danych z rejestratorów rentgenowskich Roboty radiologiczne 21

22 Roboty radiologiczne 22

23 23