Zastosowanie Robotyki w Medycynie Wykład 4 (3) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów Wymagania telemanipulatorów Kinematyka umożliwiająca penetrację przez powłoki skórne pacjenta Odpowiednia liczba stopni swobody 3 przemieszczające narzędzie, 3 orientacja, 1 otwieranie szczęk chwytaka. Przestrzeń robocza Przestrzeń w jakiej znajduje się trokar (port) względem podstawy robota, Przestrzeń w jakiej może się znaleźć końcówka robocza narzędzia względem trokaru Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 2 1
Wymagania telemanipulatorów Precyzja ruchów rodzaj operacji Dokładność 0,5 do 0,02 mm (np. zszywanie tętnic o średnicach 2 mm, szwy założone z dokładnością 0,1mm) Definicje precyzji ruchów Dokładność pozycjonowania - różnica między pozycją zadaną i średnią pozycją osiąganą, Powtarzalność pozycjonowania miara rozrzutu odchyleń między pozycjami osiąganymi Powtarzalność pozycjonowania przy Zmienność dokładności pozycji osiąganej z wielu dochodzeniu kierunków do tej maksymalna samej pozycji odległość zadanej między z średnią pozycją wielu osiąganą, kierunków Rozdzielczość pozycjonowania najmniejszy przyrost przemieszczenia najmniejsza jaki może zmiana zostać pozycji osiągnięty osiąganej przez każdą oś lub przegub reakcja robota na ruch zadajnika Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 3 Wymagania telemanipulatorów Filtracja drgań ręki chirurga tremor (7-10Hz operacje długotrwałe napięcie mięśniowe) Wymagania sali operacyjnej Możliwość łatwego przemieszczania robota w zależności od typu operacji Możliwość częstej i szybkiej wymiany narzędzi chirurgicznych Szybka sterylizacja narzędzi Sposób mocowania narzędzi izolacja części sterylnych od niesterylnego ramienia Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 4 2
System da Vinci Intuitive Surgica Niezwykła precyzja Mała inwazyjność, Pionierskie rozwiązania technologiczne Intuicyjny interfejs Budowa modułowa Konsola sterownicza tor wizyjny 3D Platforma ramiona (3 lub 4) Narzędzia EndoWristR Zestaw laparoskopowy insuflator, wzmacniacz kamery, źródło światła, monitor Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 5 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 6 3
Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 7 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 8 4
System wizyjny 3D system InSiteR Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 9 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10 5
Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 11 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 12 6
Pierwsze zabiegi wykonane przy pomocy robota da Vinci na sercu przeprowadzono w maju 1998r.: dr Mohr i dr Falk w Dreźnie dr Carpentier w Paryżu. Była to plastyka zastawek mitralnych. Miesiąc później udało się wykonać pomostowanie naczyń wieńcowych Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 13 Robin Heart - projekt prowadzony przez Fundację Rozwoju Kardiochirurgii (FRK) w Zabrzu - wprowadzenie w pełni funkcjonalnego narzędzia do małoinwazyjnych operacji na sercu Interdyscyplinarny zespół: Pracownia Biocybernetyki FRK, Politechnika Łódzka (zespół prof. Leszka Podsędkowskiego), Politechnika Warszawska (zespół dr Krzysztofa Mianowskiego). Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 14 7
Robin Heart założenia: Struktura modułowa robota stosowanie do różnych typów operacji operacje na sercu i układzie naczyniowym Niewielka przestrzeń operacyjna (po opadnięciu jednego płuca) 2-3cm nad sercem Robot powinien zapewnić przemieszczenie końcówki z dokładnością nie mniejszą niż 0,1mm Konstrukcja ma zapewnić stałopunktowość (mechanicznie) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 15 Robin Heart założenia: Manipulator kopiujący (telemanipulator) układ mechaniczny poruszany za pomocą siłowników elektrycznych. Sprawne poruszanie końcówką narzędzia wymaga 7 stopni swobody: 3 stopnie swobody kierują narzędzie manipulatora w kierunku zadanej pozycji, 3 odpowiedzialne za orientację narzędzia, 1 stopień odpowiedzialny za specyficzną czynność wykonywaną przez narzędzie. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 16 8
Robin Heart założenia: wykorzystanie zjawisk fizycznych (np. elektrokoagulacja, noże harmoniczne czy laserowe) oraz automatyzacja pozwalają na zmniejszenie liczby stopni swobody manipulacji efektora, System sterowania umożliwia usunięcie drgań i przeskalowanie ruchu, Sposób zadawania oraz prezentacji ruchu precyzyjna i ergonomiczna praca chirurga na odległość Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 17 Opracowany robot 2 lub 3 ramiona narzędziowe i 1 trzymające kamerę. Ramie 3 stopnie swobody (2 obroty i 1 przesuw), do ostatniego stopnia swobody przymocowane jest narzędzie z układem napędowym lub kamera z torem wizyjnym. Sterowanie za pomocą konsoli (przyciski pedały, zadajniki ruchu dżojstiki) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 18 9
W latach 2000-2003 powstały modele: Robin Heart 0, Robin Heart 1, Robin Heart 2. W latach 2007 2008: Robin Heart Vision do sterowania położeniem endoskopowego toru wizyjnego, 2010 Robin Heart mc2 precyzyjne działanie w małym obszarze pola operacji. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 19 Robin Heart Shell ergonomiczna konsola, Robin Heart Uni system narzędzi mechatronicznych. Opracowano mechanizm robota sferycznego nowe aplikacje robota chirurgicznego idea stałopunktowości geometrycznej Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 20 10
Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 21 Manipulator sferyczny nadaje się do operacji precyzyjnych jednym narzędziem (neurochirurgia lub okulistyka). Koncepcja odrzucona w przypadku operacji kardiochirurgicznych ze względu na możliwość kolizji kilku ramion. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 22 11
Założenia konstrukcyjne robota Robin Heart 0 Ramie o stałopunktowości kinematycznej konstrukcji aluminiowej - 3 stopnie swobody, Mocowanie ramienia na niezależnej kolumnie, Maksymalna średnica narzędzia 10mm, Odległość miedzy napędami a efektorem 500mm, Swobodna orientacja narzędzia, Siła oddziaływania efektora na otoczenie do 5N, Siła zaciskania szczęk efektora do 10N, Powtarzalność pozycjonowania 0,1mm, Łatwy montaż narzędzia, Możliwość sterylizacji narzędzia, Zadajnik ruchu wzorowany na uchwycie typowych narzędzi Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 23 Robin Heart 0: kinematycznie uzyskana stałopunktowość ruchu, średnica odłączalnego narzędzia 10mm, siła zaciskania szczęk efektora do 10N, część wysięgnikowa realizuje: 2 ruchy obrotowe i 1 ruch liniowy Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 24 12
Robin Heart 0: Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 25 Robin Heart 0: Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 26 13
Robot sterowany był bezpośrednio z komputera oraz zadajników ruchu powstałych na podstawie typowych narzędzi laparoskopowych Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 27 Założenia konstrukcyjne robota Robin Heart 1 Ramię o stałopunktowości kinematycznej, Mocowanie ramienia na niezależnej kolumnie, Maksymalna średnica narzędzia 8mm, Masa bloku napędowego około 0,5kg, Szerokość bloku napędowego do 46mm, Odległość między napędami a efektorem około 400mm, Orientacja narzędzia bez ograniczeń, Siła oddziaływania efektora na otoczenie do 5N, Siła zaciskania szczęk efektora do 10N, Powtarzalność pozycjonowania 0,1mm, Łatwy montaż i sterylizacja narzędzia, Większa sztywność. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 28 14
Robin Heart 1: zmiany w konstrukcji zmniejszenie masy i rozmiarów zespołu napędowego kiści, zwiększenie sztywności ramienia i układów przeniesienia napędu teleskopowa konstrukcja napędu ruchu liniowego narzędzia, Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 29 Robin Heart 1: Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 30 15
Robin Heart 1 stosowany z zadajnikiem laparoskopowym Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 31 Założenia konstrukcyjne robota Robin Heart Vision obrazowanie właściwego elementu pola operacji: Stabilny obraz pola operacyjnego, Duża sprawność oraz precyzja wykonywanych ruchów, Bezpośrednie, ergonomiczne sterowanie i kontrola przez chirurga, Minimum 5 stopni swobody (3 stopnie swobody na ramie i 2 na laparoskop), Ramię kinematyka sferyczna o 3 stopniach swobody Zakresy przemieszczeń: 120, 160 i 350mm Mocowanie do stołu operacyjnego Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 32 16
Robin Heart Vision: telemanipulator do pozycjonowania endoskopu, ramię o kinematyce sferycznej o 4 stopniach swobody i zakresach przemieszczeń 187 o, 117 o, 340 o i 165mm, dokładność pozycjonowania końcówki ramienia 0,1mm Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 33 Robin Heart Vision: Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 34 17
Założenia konstrukcyjne robota Robin Heart mc 2 : Platforma narzędziowa dla dwóch narzędzi i toru wizyjnego do pracy blisko przez blisko siebie osadzone otwory, Robot posiada trzy ramiona o stałopunktowości kinematycznej (konstrukcja aluminiowa - 3 stopnie swobody), Mocowanie ramion na jednej podstawie z możliwością nastaw biernych ustawienia ramion nad stołem operacyjnym Możliwość zamocowania na ramieniu narzędzi, sterownika toru wizyjnego lub platformy narzędziowej Zakresy poszczególnych stopni swobody jak w robocie RH 1 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 35 Robin Heart mc 2 : trzy ramiona zamontowane na jednej kolumnie Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 36 18
Robin Heart mc 2 : Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 37 Robin Heart mc 2 : Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 38 19
Robin Heart mc 2 : Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 39 Robin Heart Shell konsola operatorska inspiracja chirurg podczas operacji małoinwazyjnej wykonywanej przez małe otwory w ciele ma do dyspozycji specjalne narzędzia z długą tuleją najbardziej popularne rozwiązania: uchwyt pistoletowy lub uchwyt typu pęseta Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 40 20
Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 41 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 42 21
Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 43 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 44 22
Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 45 Zastosowanie robotyki w laparoskopii Narzędzia chirurgiczne EndoWristR nacięcia ciała pacjenta 1-2cm Możliwość zginania 90st Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 46 23