Zastosowanie Robotyki w Medycynie Wykład 1 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów Idea wykorzystania robotów w medycynie lata siedemdziesiąte XXw. Rozwój techniki kosmicznej - wykorzystanie telemanipulatorów sterowanych z Ziemi Ważniejsze wydarzenia: 1985 praktyczne wykorzystanie robota w medycynie robot PUMA 560 wykorzystany do wprowadzenia igły do mózgu pacjenta w celu wykonania biopsji pod nadzorem tomografii komputerowej 1988 robot Probot (Anglia) wykorzystany do operacji prostaty Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 2 1
Ważniejsze wydarzenia: 1989 - firma Computer Motion projekty NASA 1992 robot ROBODOC (Integrated Surgical System) wykorzystany do operacji wszczepienia protezy stawu biodrowego 1994 robot AESOP pozycjonowanie kamery laparoskopowej 1995 firma Intuitive Surgical Instytut Badawczy Stanforda 1996 telemanipulator ZEUS (Computer Motion) 1997 telemanipulator da Vinci (Intuitive Surgical) 1999 operacja pomostowania naczyń wieńcowych na bijącym sercu z wykorzystaniem robota (ZEUS) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 3 Zeus da Vinci Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 4 2
Ważniejsze wydarzenia: 2001 operacja Lindberga - usunięcie woreczka żółciowego, pacjent: - 68 letnia pacjentka, dystans: 14000km, opóźnienie czasowe sygnału: 0,2s Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 5 Ważniejsze wydarzenia: 2003 monopolizacja rynku telemanipulatorów, wojna patentowa między Computer Motion i Intuitive Surgical Ważniejsze wydarzenia w Polsce 2000-2003 powstanie robota kardiochirurgicznego Robin Heart (v. 0, 1 i 2) Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu 2007 2008 Robin Heart Vision sterowanie położeniem endoskopowego toru wizyjnego 2010 Robin Heart mc2 precyzyjne działanie w małym obszarze pola operacji 2010 teleoperacja na odległość Robin Heart Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 6 3
Robin Heart Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 7 Wprowadznie KSIS PUT Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 8 4
Główne aplikacje i perspektywy zastosowania robotyki w medycynie Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 9 Klasyfikacja robotów medycznych wg działów medycyny Neurochirurgia Ortopedia Urologia Chirurgia szczękowo-twarzowa Radiochirurgia Chirurgia oka Kardiochirurgia Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10 5
Roboty medyczne wg roli robota na sali operacyjnej (wg Taylora) Roboty zastępujące asystenta chirurga sterowanie położeniem kamery laparoskopowej (np. robot AESOP, Robot Robin Heart Vision) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 11 Roboty medyczne wg roli robota na sali operacyjnej (wg Taylora) Telemanipulatory chirurgiczne sterowanie zdalne przez chirurga (np. robot da Vinci) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 12 6
Roboty medyczne wg roli robota na sali operacyjnej (wg Taylora) Systemy pomocy nawigacyjnej manipulatory pasywne informujące chirurga o dokładnym położeniu trzymanego przez niego narzędzia (np. manipulator ISG Viewing Wand) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 13 Roboty medyczne wg roli robota na sali operacyjnej (wg Taylora) Systemy dokładnego pozycjonowania manipulatory przemieszczające się do wcześniej zaplanowanego miejsca i blokujące narzędzie w tej pozycji (np. robot NeuroMate, Mars) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 14 7
Roboty medyczne wg roli robota na sali operacyjnej (wg Taylora) Systemy dokładnego przemieszczania manipulatory przemieszczające po wcześniej zaplanowanej trajektorii narzędzia takie jak frezarki do kości czy głowice laserowe lub radiacyjne (np. ROBODOC, Acrobot, CyberKnife), Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 15 Roboty medyczne wg roli robota na sali operacyjnej (wg Taylora) Manipulatory diagnostyczne zastosowanie metod diagnostyki nieinwazyjnej rezonans magnetyczny, tomografia komputerowa czy ultrasonografia (np. robot Hippocrate), gastroskopia (np. robot Norika 3) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 16 8
Roboty medyczne wg roli robota na sali operacyjnej (wg Taylora) Manipulatory rehabilitacyjne wspomagające proces rehabilitacyjny, wspomagające niepełnosprawnych w codziennym życiu Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 17 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 18 9
Zastosowanie robotyki 2001 247 urologicznych zabiegów chirurgicznych 2003 2648 zabiegów 2005 16 500 zabiegów 2004 robot davinci w 300 szpitalach 16 000 procedur chirurgicznych Zalety wykonywania procedur chirurgicznych przez chirurga Wszechstronność, doświadczenie Posiadanie wielu zmysłów płynnie łączących dane Koordynacja oko-ręka Zwinność w skali mm-cm Szybka obróbka rozległych i szczegółowych danych Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 19 Wady wykonywania procedur chirurgicznych przez chirurga Tremor Zmęczenie Niedokładność Niezdolność do szybkich przeliczeń Nieefektywność w skali poniżej 1mm Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 20 10
Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 21 Zalety wykonywania procedur chirurgicznych przez roboty Powtarzalność wykonywanie powtarzających się czynności, zwłaszcza podczas trudnych manipulacji Stabilność i dokładność niezwykła precyzja ruchów eliminująca drżenie ręki chirurga Tolerancja na promieniowanie jonizujące Posiadanie zróżnicowanych czujników - sterowanie głosem, pomiar siły Możliwość optymalizacji dla danego otoczenia, ergonomia Łatwość przestrzennej transformacji oko-ręka obraz trójwymiarowy Równoległe wykonywanie różnych zadań Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 22 11
Operacje prostaty (2007) tradycyjna robot Czas 3 godz 2 4 godz Pobyt w szpitalu 3 dni 24 godz. Cewnik 14 dni 7 dni Utrata krwi 600ml <100ml Wyzdrowienie 4 6 tyg. 2 3 tyg. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 23 Wady wykonywania procedur chirurgicznych przez roboty (ograniczenia) Wysoka cena, Duży rozmiar, nieustawność, Niezdolność do obróbki informacji jakościowej roboty nie zastąpią chirurgów, przy pacjencie operowanym jest gotowy zespół operacyjny, czuwający nad bezpieczeństwem zabiegu Brak wszechstronności brak możliwości automatycznej zmiany narzędzi Praca wg niedoskonałych technologii czasy opóźnienia Problemy etyczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 24 12
Podstawowy cel wprowadzenia robotów do szpitali poprawa jakości opieki zdrowotnej przez udoskonalenie wykonywanych zabiegów i skrócenie czasu rekonwalescencji. Procedury bezpieczeństwa - czynniki Robot medyczny pracuje w bezpośredniej bliskości człowieka, Bezkolizyjna przestrzeń robocza jest znacznie mniejsza od przestrzeni dostępnej dla manipulatora Narzędzie robota medycznego jest przeznaczone do cięcia i usuwania tkanek Każda operacja jest niepowtarzalna Ciało człowieka jest podatne i nie stawia oporu w chwili kolizji z robotem Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 25 Procedury bezpieczeństwa Jednym z elementów układu sterowania robotów medycznych jest człowiek (operator, programista) jego działania mogą być obarczone błędem Przemieszczanie robota Wielkość robota lub niektórych jego fragmentów musi być jak najmniejsza zmęczenie stosowanych materiałów Fragmenty robota sterylne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 26 13
Norma PN-EN ISO 13485: 2005 Wyroby medyczne Systemy zarządzania jakością Wymagania do celów przepisów prawnych: urządzenia medyczne Klasa I o niskim poziomie ryzyka Klasa IIa o średnim poziomie ryzyka Klasa IIb o wysokim poziomie ryzyka Klasa III o bardzo wysokim poziomie ryzyka. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 27 Czynniki: Czas wykorzystywania: od kilku minut do wielu lat (np. implanty stymulujące serce), Czy urządzenie jest inwazyjne Czy urządzenie jest wykorzystywane chirurgicznie Czy urządzenie jest aktywne Praca bardzo istotnych dla życia pacjenta organów jest wspomagana przez urządzenie. Norma PN-EN 60601-1:2006 Medyczne urządzenia elektryczne Część 1: Ogólne wymagania bezpieczeństwa i podstawowe wymagania techniczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 28 14
Norma PN-EN 60601-1-4:2006 Medyczne urządzenia elektryczne Część 1-4 Ogólne wymagania bezpieczeństwa Norma uzupełniająca: Medyczne systemy elektryczne programowane pojęcie ryzyka prawdopodobieństwo zdarzenia niebezpiecznego: niemożliwy nieprawdopodobny daleki okazjonalny prawdopodobny częsty Ostrość skutków zdarzenia niebezpiecznego jakościowe wskaźniki Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 29 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 30 15
W konstrukcji robotów medycznych rozwiązania które zwiększają bezpieczeństwo Robot bezpieczny Robot AESOP- mechaniczne ograniczenia zakresu ruchu ramienia, laparoskop połączony z ramieniem robota za pomocą sprzęgu magnetycznego Robot niezawodny - nie ulega awariom częsta wymiana narzędzi w robocie davinci (do 20) Robot z kompromisem między niezawodnością a bezpieczeństwem Robot bezpieczny z elementami o większej niezawodności Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 31 Robot z pokryciem diagnostycznym automatycznie wyłączany (mechatroniczny) Stosowanie rozbudowanej diagnostyki robota zatrzymanie robota w przypadku wystąpienia uszkodzenia Robot da Vinci, Robin Heart Zastosowanie awaryjnego zespołu medycznego Robot redundatny automatycznie przełączany Roboty z systemem diagnostycznym i nadmiarowymi stopniami swobody Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 32 16
Źródła zagrożeń Czynnik ludzki Etap planowania operacji Wykonywanie operacji Opracowanie odpowiedniego interfejsu graficznego: Dopasowany do zadania Nie absorbować uwagi operatora Zabezpieczenia przed wykorzystaniem przez osoby nieupoważnione Mała liczba parametrów definiowanych przez chirurga Zrozumiałość wprowadzanych danych Informacje niezbędne do prowadzenia operacji Nie powodować szumu informacyjnego Zadajnik pozbawiony osobliwości w zakresie osiągalnym dla ludzkiej ręki Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 33 Źródła zagrożeń Uszkodzenia mechaniczne zniszczenia elementów stałych zużycie elementów ruchomych mechaniczne uszkodzenia okablowania okablowanie w przegubach podlega częstemu zginaniu cześć okablowania na podłodze sali operacyjnej częste podłączanie i odłączanie sprzętu małe prawdopodobieństwo uszkodzenia elementów: przewymiarowanie zaplanowanie częstych przeglądów lub wymiany części diagnostyka i prognozowanie uszkodzeń Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 34 17
Źródła zagrożeń Uszkodzenia układu elektronicznego (czujniki położenia, sterowniki napędów, komputer sterujący, silniki) Wykorzystywanie w konstrukcji robota jedynie wysokiej klasy układów, Wbudowanie do robota układu zabezpieczeń i diagnostyki Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 35 Źródła zagrożeń Awaria oprogramowania definiuje sposób pracy i przejmuje większość funkcji bezpieczeństwa Zebranie i sformalizowanie wymagań dotyczących platformy sprzętowej i warunków użytkowania Tworzenie struktury programu blokowo (np. dzielenie przez zero, pętla nieskończona) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 36 18
Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 37 Postęp medyczny postęp techniki Kierunki rozwoju: Potrzeby medycyny Możliwości techniki Kwestie ekonomiczne Uwarunkowania prawne Uwarunkowania społeczne Doskonalenie istniejących konstrukcji Nowe zmysły Zwiększenie funkcjonalności automatyzacja czynności (np. procedura szycia) Nadążanie za ruchomymi organami (operacje na bijącym sercu) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 38 19
Czynniki blokujące wprowadzenie nowych rozwiązań Patenty tworzenie opisów patentowych wynikających z łączenia dwóch dyscyplin: Patent na sterowanie robotem medycznym za pomocą głosu Patent na odizolowanie robota medycznego od sterylnego pola operacyjnego poprzez sterylny pokrowiec foliowy i sterylną przekładkę umożliwijącą przeniesienie napędy Walka patentowa między Computer Motion a Intuitive Surgery naruszenie prawa patentowego dotyczącego technologii rozpoznawania głosu powstanie monopolu Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 39 Czynniki. Wieloetapowy proces dopuszczenia sprzętu medycznego do użytku: Faza projektowa Testy laboratoryjne, Testy na zwierzętach, Testy kliniczne na ludziach Uzyskanie atestu odpowiedniej komisji Sprzedaż komercyjna Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 40 20