Esta tesis trata sobre el desarrollo de un robot laparoscópico capaz de realizar maniobras quirúrgicas de forma semi-autónoma. Para ello, el sistema dispone de dos brazos manipuladores: uno de ellos sostiene la cámara laparoscópica mientras que el otro maneja una herramienta que ofrece asistencia al cirujano. En primer lugar, este trabajo realiza un estudio del control de bajo nivel necesario para garantizar que ambas herramientas alcancen las localizaciones requeridas. Para ello, el brazo de la cámara instala una muñeca pasiva, mientras que el brazo de la herramienta realiza los movimientos mediante una muñeca esférica de actuación directa. A continuación, se expone un método para movimientos auto-guiados que calcula la trayectoria a cualquier objetivo evitando obstáculos en el interior del abdomen del paciente. Este sistema se emplea posteriormente en un diagrama de estados encargado de regular la asistencia al cirujano en un procedimiento de sutura laparoscópica. Dicho esquema se diseña con la finalidad de que exista una interacción continua a lo largo de la maniobra de forma que, según la secuencia de acciones de la sutura, el cirujano realice las acciones de la mano derecha y el robot las de la mano izquierda. Todas estas funcionalidades se implantan en una arquitectura de control para la plataforma CISOBOT, un prototipo de robot asistente con dos brazos manipuladores, al que se le añade un sistema tolerante a fallos que tiene en cuenta posibles colisiones no previstas con el tejido interno del paciente o con las herramientas del cirujano. Finalmente, para validar el funcionamiento del sistema implantado se proponen una serie de experimentos in vitro.
Tesis Enrique Bauzano - Robot Asistente Semiautónomo de dos Brazos para Intervenciones de Cirugía Laparoscópica
1. Proyecto de Excelencia P07-TEP-02897
ROBOT ASISTENTE SEMIAUTÓNOMO DE
DOS BRAZOS PARA INTERVENCIONES DE
CIRUGÍA LAPAROSCÓPICA
Enrique Bauzano Núñez
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA
UNIVERSIDAD DE MÁLAGA
DEFENSA DE TESIS DOCTORAL
Directores: Dr. Víctor F. Muñoz Martínez
Dra. Isabel García Morales
2. ÍNDICE
1. Introducción: la robótica en la cirugía laparoscópica
2. Contribuciones de la tesis
3. Control EMP para la navegación laparoscópica de muñecas activas
4. Auto-Guiado: planificación de caminos para evitar obstáculos
5. Asistencia semiautónoma a la sutura
6. Implantación en la plataforma CISOBOT
7. Resultados experimentales
8. Conclusiones y trabajos futuros
3. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CIRUGÍA LAPAROSCÓPICA
Instrumental
Instrumental
Punto de
Fulcro
Columna de
Laparoscopia
4. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CIRUGÍA LAPAROSCÓPICA: PROBLEMAS
Ventajas para el paciente…
Menor tiempo de recuperación
Limitación de complicaciones post-operatorias
Cicatrices más pequeñas
…Problemas para el cirujano
Visión
Imagen 2D
Iluminación con luz fría
Reducción del campo de visión
Resolución y fidelidad de la imagen
Movilidad
Inversión del movimiento
Escalado
Pérdida de tacto
Coordinación
Estabilidad de la cámara
Limpieza de la óptica
Instrumental extra
SOLUCIÓN: Usar la robótica como herramienta para mitigar los problemas de la cirugía laparoscópica.
5. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CLASIFICACIÓN DE ROBOTS QUIRÚRGICOS
• Cirugía remota
• Sistemas maestro-
esclavo
• Aumento de
capacidades del
cirujano
• …
• Comandados por el
cirujano
• Guiado visual
• Realidad
aumentada
• …
• Biopsias
• Auto-guiado del instrumental
• Maniobras quirúrgicas automáticas
• …
6. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
TELECIRUGÍA Y ROBOTS TELE-ASISTIDOS
SISTEMA ZEUS
S.E. Butner; M. Ghodoussi. “Transforming a Surgical Robot for Human Telesurgery”. IEEE Transactions
on Robotics and Automation, Vol. 19, no. 5, 2003.
G.S. Guthart; J.K. Salisbury. “The Intuitive Telesurgery System: Overview and Application”.
IEEE ICRA 2000, San Francisco CA (USA).
SISTEMA DA VINCI
J. Dumpert et al. “Semi-autonomous Surgical Tasks Using
a Miniature In Vivo Surgical Robot”. IEEE EMBS 2009,
Minneapolis MI (USA).
MINI ROBOT PARA NOTES
D.J. Abbott et al. “Design of an Endoluminal
NOTES Robotic System”. IEEE-RSJ IROS
2007, San Diego CA (USA).
SISTEMA VIACATH
7. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
ROBOTS CAMARÓGRAFOS
SISTEMA ERM
V.F. Muñoz et al. “Control movement scheme based on
manipulability concept for a surgical robotic assistant”.
IEEE ICRA 2006, Orlando FL (USA).
SISTEMA AESOP
P. Chatzilias et al. “Robotic control in hand-assisted
laparoscopic nepherctomy in humans- a pilot study”. IEEE
EMBS 2004, San Francisco CA (USA).
SISTEMA LAPMAN
R. Polet; J. Donnez. “Using a Laparoscope Manipulator
(LAPMAN) in Laparoscopic Gynecological Surgery”. Surgical
Technology International, pp. 187-191.
ΜROBOT PARA
COLONOSCOPIAS
G. Chen; M.T. Pham. “A Semi-autonomous Micro-robotic
System for Colonoscopy”. IEEE International Conference
on Robotics and Biomimetics 2009, Bangkok (Tailandia).
8. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
ROBOTS AUTÓNOMOS
SISTEMA PARA EXTIRPAR TUMORES DE PECHO
V. Mallapragada et al. “Toward a Robot-Assisted Breast
Intervention System”. IEEE Transactions on Mechatronics,
vol. 16, no. 6 2011.
SISTEMA ENDOBOT
H. Kang, J.T. Wen. “Robotic Assistants Aid Surgeons
During Minimally Invasive Procedures”. IEEE
Engineering in Medicine and Biology, 2001.
ΜROBOT PARA BIOPSIAS
S.R. Platt et al. “Vision and Task Assistance Using
Modular Wireless In Vivo Surgical Robots”. IEEE
Transactions on Biomedical Engineering, 2001.
IMPLANTE COCLEAR
L.B. Kratchman et al. “Design of a Bone-Attached
Parallel Robot for Percutaneous Cochlear Implantation”.
IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2011.
9. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CONTRIBUCIONES DE LA TESIS
PRINCIPAL OBJETIVO
Desarrollo de un robot quirúrgico que asista al cirujano de forma semiautónoma y
facilite alcanzar la cirugía en solitario.
CONTRIBUCIONES
1. Navegación Laparoscópica: Control EMP para muñecas de actuación directa
2. Sistema de auto-guiado basado en comportamientos
3. Asistencia semiautónoma a la sutura
Implantación en el sistema de dos brazos CISOBOT
10. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
PROBLEMA 1: NAVEGACIÓN ESFÉRICA
Base del Robot
{B}
Brazo Robot
Muñeca
Punto de
Fulcro
{I}
Endoscopio
Y
X
Z
Z
Y
X
Abdomen
β
α
ρ
11. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
NAVEGACIÓN ESFÉRICA: MECANISMOS
MUÑECA PASIVA CENTRO DE ROTACIÓN REMOTO ACTUACIÓN DIRECTA
No ejerce fuerzas en abdomen
Incertidumbre debido a la
holgura en el trocar
No ejerce fuerzas en abdomen
(previa calibración)
Requiere instrumental específico
Mecanismo voluminoso
No requiere instrumental específico
Poco volumen ocupado
Puede ejercer fuerzas en el
abdomen
12. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
MUÑECAS ACTIVAS: NAVEGACIÓN
1. Rotación alrededor del fulcro estimado I'
Desplaza el fulcro real I sobre el abdomen
2. Simulación de muñeca pasiva
Rotación de la herramienta alrededor de la muñeca hasta
eliminar el desplazamiento del fulcro
3. Corrección del ángulo de altitud
Seguir recorrido hasta orientar la herramienta con el
ángulo deseado inicialmente
I
L'L-L'
XI
ZI
I0
I'
13. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
1. Equilibrio de fuerzas y pares
2. Equilibrio de pares con F y Fβ
3. Aproximación geométrica de separación eβ
4. Ángulo de compensación φr
MUÑECAS ACTIVAS: ESTIMACIÓN DEL FULCRO
fFIX
IZ
sFsM
F
B
r
I
I
e
0
F
A
0I
M
0
ws
F
s
)d(WrM
WF
f
f
FρFρ
FF
sinF
M
eF
re
cos
sinF
r
cos
sinF
F
14. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
MUÑECAS ACTIVAS: ESQUEMA DE CONTROL
CONTROL EMP
CONTROL ESFÉRICO
CAPA-2
CAPA-3
CAPA-1
Ángulo
deseado
Fuerzas y
Pares
CONTROL
CARTESIANO
BRAZO ROBOT
Referencia esférica pasiva
Referencia esférica activa
Referencia
articular
ESTIMADOR
DEL FULCRO
Posición
articular
Distancia Exterior
estimada
Ángulo actual
CONTROLADOR MUÑECA ACTIVA
15. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CAPA 3: CONTROL CARTESIANO
CONTROL CARTESIANO
Planificador
Cartesiano
+
– xK
)(kTXr
)(kTXr
+
+
BRAZO
ROBOT)(1
J
)(kTr
)(F
)(kT
)(kTX
Conversión
Cartesiano a Arco
recorrido
T
)(kTLr
)(kTL
Ley de Control: rxr XXKJ ~
)(1
16. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CAPA 2: CONTROL EMP
CONTROL EMP
Control
PI
Estimador del
Fulcro
–
+
Sensor de Fuerzas
2T
),( rr
)( 2kT
))(,( 2kT
1dF )( 2kTFr )( 2kTr
+
–
)( 2kTr )( 2kTLr
–
+
–
+
)( 2kTFc
)( 2kTFs)( 2kTF
)( 2kT
)( 2kTW
)( 2kTL
CAPA-3
1
/2 2
1
1
TI
e
K
)1(
)1(
/
/
2 2
2
T
T
P
e
e
K
17. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CAPA 1: CONTROL ESFÉRICO
CAPA-2
+
–
L
),( dd
),( rr
),(
Control PI
),( cc
Generador de
trayectorias
),( ff
)1(
1
1
1
/
/
1
/1
1
1
1
T
T
P
TI
e
e
K
e
K
18. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
ESTABILIDAD DEL CONTROLADOR
15
20
25
15
20
25
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Distancia real (cm)Distancia estimada K
(cm)
0.5
1
1.5
2
0.5
1
1.5
2
0
0.5
1
Rigidez real (N/mm)Rigidez estimada ' (N/mm)
Criterio: Los autovalores son inferiores a 1
2 5.0
Capa 1: Control Esférico Capa 2: Control EMP
19. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
DEMO: CONTROL EMP
time (sec)
forces(N)
30
2
-2
0
20. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
PROBLEMA 2: PLANIFICACIÓN DE CAMINOS
Herramienta del
Robot
Cámara Herramienta del
Cirujano
Abdomen
Trayectoria
del Robot
Objetivo
Campo de Visión
{C}
rp ro
O
GS
GC
GR
21. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SISTEMA DE MOVIMIENTO AUTO-GUIADO
SELECTOR DE
COMPORTAMIENTOS
PLANIFICADOR
LOCAL
CORRECCIÓN DE
VELOCIDAD
SEGUIMIENTO
DEL CIRUJANO
pv
1v1c
2v2c
3v3c
or
1c
2c
3c
Objetivo
Trayectoria
Planificada
Herramienta
del Cirujano
Herramienta
del Robot
sv
rv
s
1+
+
+
pr
kT
Tk
kT
Tk
dtcccdt
)1(
332211r
)1(
prp vvvrvrr
22. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SELECTOR DE COMPORTAMIENTOS
67
3 2
Esfera de direcciones
14
58
rv
}{C CY
CX
CZ
sv
vr
vs
1 2 3 4 5 6 7 8
1 A L ML L C L ML L
2 L A L ML L C L ML
3 C MC A L C MC C L
4 MC C L A MC C L C
5 C L ML L A L ML L
6 L C L ML L A L ML
7 C MC C L C MC A L
8 MC C L C MC C L A
c1
c2
c3
23. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
COMPORTAMIENTO 1: PLANIFICADOR LOCAL
atrF
repF
RM SM
f
RM
O
RG
SG
L
l
i
repatr UU i
repatr1 FFF
0
02
0
0
2
ˆˆ11
2
nρ
F
rF
rep
fatr
f
rep
atr
r
K
L
l
K
dt
m
1
1
1
F
v
Proceso Planificador_Local
1) Localizar el punto guía MR
2) Calcular el objetivo asociado al punto guía Mf
R
3) Calcular la fuerza F1 => Velocidad del punto guía v1
4) Calcular la velocidad en el efector final del robot
5) Ejecutar movimiento del robot
6) Si no se ha alcanzado el objetivo O con el extremo de la herramienta, volver a 1)
Fin de Procedimiento
24. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
COMPORTAMIENTO 2: CORRECCIÓN DE VELOCIDAD
Recta de
Colisión
CP
RG
SG
SP
rv
sv
)( cR tP
)( cS tP
RP
r2 vv 2K
dc
tc
Cero Baja Media Lejos Muy Lejos
Cero Máx. Máx. Muy Alta Muy Alta Alta
Bajo Máx. Muy Alta Alta Alta Media
Medio Muy Alta Alta Media Media Poca
Bastante Muy Alta Alta Media Poca Nula
Mucho Alta Media Poca Nula Nula
25. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
COMPORTAMIENTO 3: SEGUIMIENTO DEL CIRUJANO
GR GS
s3 vF 3B
dt
m
B
s3 vv
1
3
3
Proceso Auto_Guiado
1) Calcular los pesos de cada comportamiento c1, c2, c3
2) Calcular las velocidades de los tres comportamientos v1, v2, v3
3) Ponderar cada velocidad con su peso, sumar e integrar => siguiente punto del camino rp
4) Ejecutar movimiento del robot
5) Si el robot no ha llegado al objetivo ro, volver a 1)
Fin de Procedimiento
27. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
PROBLEMA 3: ASISTENCIA A LA SUTURA
EndoscopioHerramienta del
cirujano
Herramienta
auxiliar
Sujeción
del hígado
Escenario de Colecistectomía
Protocolo:
1. Elevar hígado para exponer la
vesícula
2. Cortar triángulo de Calot y exponer
arteria y conducto císticos
3. Suturar arteria y conducto císticos
para aislar un punto intermedio
4. Cortar arteria y conducto císticos
5. Separar vesícula
6. Extraer vesícula del paciente
28. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SUTURA: CONCEPTOS PREVIOS
• Gesto: Acción identificable más elemental de las herramientas
laparoscópicas (tirar del hilo de sutura, presionar tejido…)
• Maniobra: Secuencia de gestos que componen una actuación
definible sobre el paciente (punción, corte, anudado…)
• Procedimiento: Maniobra o secuencia de maniobras que completan
una tarea propuesta por un protocolo quirúrgico.
29. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SUTURA: MÉTODO DE ROSSER (I)
Laparoscopic Suturing: http://www.youtube.com/watch?v=PmdPAVFgNXU
1. Insertar aguja y centrar Agarrar aguja
2. Presionar tejido Posicionar aguja para punción
3. Agarrar aguja tras punción Punción mediante giro de 60°-90°
4. Extraer aguja y tirar del hilo Soltar aguja y sostener tejido
5. Colocar aguja ┴ a la sutura Desplazar herramienta sobre el hilo
6. Mantener posición Girar 2x sentido horario
MANO IZQUIERDA MANO DERECHA
30. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SUTURA: MÉTODO DE ROSSER (II)
Problemas
Gran cantidad de gestos entre las dos manos
Compleja sincronización entre las herramientas laparoscópicas
Solución
Asistir al cirujano manejando una herramienta con un robot
Ventajas
Menor tiempo de aprendizaje en sincronizar ambas manos
La otra mano queda libre para otras tareas no automatizables
31. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SUTURA: DIAGRAMA DE ESTADOS (I)
PUNZADA DE LA AGUJAINSERCIÓN DE LA AGUJA
ANUDADOCORTE DEL HILO
S0
S2
S1 S3
S4
S5
S6
S8
S9 S7
S11
S10S12
S13
S14
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7T8
T9T10
i = 3 i < 3
T11T12T13T14
T0
T15
S0 Inicio y preparación de sutura
S1 Insertar y centrar aguja en pantalla
S2 Coger aguja y colocar en punto de
sutura
S3 Fijar tejido
S4 Punzar tejido, extraer aguja y tirar
del hilo
S5 Separar del tejido y abrir pinza
S6 Colocar aguja en pinza izquierda
S7 Posicionar aguja
S8 Rotar alrededor del hilo
S9 Tirar del hilo y cerrar nudo
S10 Acercar aguja a punto de sutura
S11 Coger ambos extremos del hilo y
tensar
S12 Coger hilo bajo pinza derecha
S13 Cambiar herramienta y cortar hilo
S14 Extraer hilo y aguja
32. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SUTURA: DIAGRAMA DE ESTADOS (II)
PUNZADA DE LA AGUJAINSERCIÓN DE LA AGUJA
ANUDADOCORTE DEL HILO
S0
S2
S1 S3
S4
S5
S6
S8
S9 S7
S11
S10S12
S13
S14
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7T8
T9T10
i = 3 i < 3
T11T12T13T14
T0
T15
T0 Comando de voz “Sutura”
T1 Robot en posición
T2 Gesto de cirujano reconocido
T3 Fuerza aplicada sobre tejido
T4 Gesto de cirujano reconocido
T5 Robot en posición
T6 Gesto de cirujano reconocido
T7 Robot en posición
T8 Gesto de cirujano reconocido
T9 Fuerza aplicada sobre el hilo
T10 Robot en posición
T11 Gesto de cirujano reconocido
T12 Robot en posición + fuerza
aplicada sobre el hilo
T13 Gesto de cirujano reconocido
T14 Robot en posición
33. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SUTURA: DIAGRAMA DE ESTADOS (III)
PUNZADA DE LA AGUJAINSERCIÓN DE LA AGUJA
ANUDADOCORTE DEL HILO
S0
S2
S1 S3
S4
S5
S6
S8
S9 S7
S11
S10S12
S13
S14
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7T8
T9T10
i = 3 i < 3
T11T12T13T14
T0
T15
Sk+1
Sk
Tk-1
Tk
Tk+1
1k
kE
1
1
k
kE
k
kE 1
k
kE
34. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SUTURA: ASISTENTE DE ESTADOS
ASISTENTE DE ESTADOS
INTERACCIÓN
AUTO-GUIADA
Trayectoria
Planificada
Localización
Cirujano
Localización
del Robot
INTERFAZ DE
VOZ
Fuerzas y
Pares
Posición
Aguja
Señal de
Audio
Comando
de Voz
RECONOCEDOR
DE GESTOS
ASISTENTE DE SUTURA
Activación
Tk Estado Sk
Activación
Tk
Funciones:
1) Alcanzar posición objetivo
2) Aplicar fuerza en tejido/hilo
35. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
SUTURA: INTERACCIÓN AUTO-GUIADA
INTERACCIÓN AUTO-GUIADA
SISTEMA
ROBOT
+
-
1
AK
oF
F
pr
MOVIMIENTO
AUTO-GUIADO
cx
or
cr r
D
DI
CONTROL
PI
+
+
D
-
+ K
er
+
+
x
cF
co FF
coc FFx 1
AKLey de Control:
36. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
DEMO: ASISTENCIA A LA SUTURA
Maniobra 1: Inserción Maniobra 2: Punción
Maniobra 3: AnudadoManiobra 4: Corte del hilo
37. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
IMPLANTACIÓN: PLATAFORMA CISOBOT
Brazo Instrumental
Quirúrgico
Brazo Cámara
Laparoscópica
Estructura Robot
Asistente
Marca 3D
Sensor de
Fuerzas
Muñeca Pasiva
38. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CISOBOT: ENTORNO QUIRÚRGICO
Columna de
Laparoscopia
Tracker 3D
Brazo Cámara
Laparoscópica
Brazo Instrumental
Quirúrgico
Simulador de
Paciente
Herramienta del
Cirujano
Cámara
Laparoscópica
39. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CISOBOT: ARQUITECTURA DE CONTROL
SENSORES ENTORNOASISTENTE DE ESTADOS
CIRUJANO
INTERACCIÓN
AUTO-GUIADA
BRAZOS ROBOTS
CONTROL DE
BAJO NIVEL
PACIENTE
Interacción
Cirujano
Herramientas Robot
Trayectoria Planificada
Localización Cirujano
Trayectoria
Controlada
LocalizaciónRobot
ROBOT ASISTENTE
SENSOR DE
FUERZAS
INTERFAZ DE
VOZ
Esfuerzos
Imagen
Laparoscópica
Contacto
Robot
Aguja
Herramient
a Cirujano
Activación
Señal de
Audio
TRACKER 3D
Comando de Voz
RECONOCEDOR
DE GESTOS
MÓDULO DE
VISIÓN
ASISTENTE
DE SUTURA Activación
Nuevo
Estado
Nuevo
Estado
ADQUISICIÓN
AUDIO
Voz del cirujano
Gesto
Quirúrgico
SISTEMATOLERANTEAFALLOS
40. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CISOBOT: SISTEMA TOLERANTE A FALLOS
Evento Detección Actuación
Fallo Hardware - Señal de Fallo Hardware Parar el sistema
Colisión entre brazos - Análisis de Colisión cinemática
Parar brazo de la cámara
mientras haya riesgo
Colisión con herramienta
del cirujano
- Cambio inusual del Fulcro Estimado
- Herramienta del cirujano cerca del robot
Parar robot mientras haya riesgo
Colisión con tejido/órganos
- Cambio inusual del Fulcro Estimado
- Herramienta del cirujano lejos del robot
Extraer herramienta del robot
Fallo de sensores
- Medición anómala y constante
independiente de la actuación
Mensaje de alerta y parar si
persiste
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
20
40
60
80
100
Distancias(mm)
Distancia Robot-Objetivo
Distancia Robot-Cirujano
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
-10
-5
0
5
10
15
20
Tiempo (segundos)
Fuerzas(N)
Fx
F
y
F
z
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
Distancias(mm)
Distancia Robot-Objetivo
Distancia Robot-Cirujano
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Tiempo (segundos)
Fuerzas(N)
Fx
F
y
F
z
Colisiónconherramienta
Colisión con tejido
41. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CISOBOT: EXPERIMENTOS PROPUESTOS
1. Movimiento esférico mediante la aplicación del control EMP
2. Movimiento auto-guiado con la herramienta del cirujano en
movimiento
3. Procedimiento de sutura: Inserción, Punción, Anudado y Corte
44. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
EXPERIMENTO 3: ASISTENCIA A LA SUTURA (I)
Maniobra 1: Inserción
Enlace a vídeo
45. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
EXPERIMENTO 3: ASISTENCIA A LA SUTURA (II)
Maniobra 2: Punción
Enlace a vídeo
46. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
EXPERIMENTO 3: ASISTENCIA A LA SUTURA (III)
Maniobra 3: Anudado
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47. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
EXPERIMENTO 3: ASISTENCIA A LA SUTURA (IV)
Maniobra 4: Corte del Hilo
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48. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
El gran esfuerzo investigador en torno a la robótica quirúrgica la destaca
como una herramienta de gran utilidad en cirugía laparoscópica.
Tres grupos de robots quirúrgicos: tele-manipuladores, camarógrafos y
sistemas autónomos.
En un punto intermedio, los robots semiautónomos se perfilan como los
candidatos para la cirugía en solitario.
Contribuciones de esta tesis para los robots semiautónomos:
1. Movimiento esférico del instrumental mediante muñecas activas
2. Sistema auto-guiado para la planificación de movimientos en el interior
de la cavidad abdominal
3. Asistencia semiautónoma al procedimiento laparoscópico de sutura
Implantación de las contribuciones en el prototipo CISOBOT
49. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN FUTURAS
Ampliar la asistencia al cirujano en otros procedimientos además de la
sutura: corte, transporte, agarre…
Modelar complicaciones producidas con mayor frecuencia durante la
ejecución de los procedimientos anteriores (error en corte, limpieza de
sangrado…)
Modificar el robot para manejar instrumental a través de un solo orificio en
técnicas SILS (Single Input Laparoscopic Surgery)
Eliminar la hipótesis de herramientas rígidas para mejorar la localización del
punto de fulcro e interacción con el cirujano y el paciente
Cambiar el modo secuencial del diagrama de estados de la sutura para
permitir una interacción simultánea con el cirujano
50. INTRODUCCIÓN CONTRIBUCIONES CONTROL EMP AUTO-GUIADO ASISTENCIA SUTURA IMPLANTACIÓN EXPERIMENTOS CONCLUSIONES
APORTACIONES CIENTÍFICAS
CONGRESOS INTERNACIONALES (6)
E. Bauzano, V.F. Muñoz, I. García-Morales, B. Estebanez. “Active Wrists Endoscope Navigation in Robotized Laparoscopic
Surgery”. IEEE International Conference on Mechatronics (ICM). Abril 2009, Málaga (España).
E. Bauzano, V.F. Muñoz, I. García-Morales, B. Estebanez. “Three-Layer Control for Active Wrists in Robotized Laparoscopic
Surgery”. IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Octubre 2009, St. Louis (EE.UU.).
B. Estebanez, G. Jiménez, V.F. Muñoz, I. García-Morales, E. Bauzano, J. Molina. “Minimally Invasive Surgery Maneuver
Recognition Based on Surgeon Model”. IEEE International Congerence on Intelligent Robots and Systems (IROS). Octubre 2009,
St. Louis (EE.UU).
E. Bauzano, V.F. Muñoz, I. García-Morales. “A Multi-Behavior Algorithm for Auto-Guided Movements in Surgeon Assistance”.
IEEE International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region (RAAD). Junio 2010, Budapest (Hungría).
Premio al mejor artículo de estudiante (Best Paper Award)
E. Bauzano, V.F. Muñoz, I. García-Morales. “Auto-Guided Movements on Minimally Invasive Surgery for Surgeon Assistance”.
IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Octubre 2010, Taipei (Taiwán).
B. Estebanez, E. Bauzano, V.F. Muñoz. “Surgical Tools Pose Estimation for a Multimodal HMI of a Surgical Robot Assistant”. IEEE
International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Septiembre 2011, San Francisco (EE.UU.).
LIBROS Y REVISTAS (2)
E. Bauzano, V.F. Muñoz, I. García-Morales, B. Estebanez. “Control Methodologies for Endoscope Navigation in Robotized
Laparoscopic Surgery”. Research and Education in Robotics. Ed. Springer-Verlag (Berlín Heidelberg) 2010. Vol. 82, pp. 11-22.
ISBN 978-3-642-16369.
E. Bauzano, V.F. Muñoz, I. García-Morales. “A Multi-Behavior Algorithm for Auto-Guided Movements in Surgeon Assistance”.
International Journal of Mechanics and Control (JoMaC). Ed. Levrotto & Bella (Torino, Italia) 2011. Vol. 12, no. 1. ISSN 1590-
8844.
CONGRESOS NACIONALES (10) – POSTERS Y WORKSHOPS
51.
52. Proyecto de Excelencia P07-TEP-02897
ROBOT ASISTENTE SEMIAUTÓNOMO DE
DOS BRAZOS PARA INTERVENCIONES DE
CIRUGÍA LAPAROSCÓPICA
Enrique Bauzano Núñez
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA
UNIVERSIDAD DE MÁLAGA
DEFENSA DE TESIS DOCTORAL
Directores: Dr. Víctor F. Muñoz Martínez
Dra. Isabel García Morales