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Proyecto CISOBOT Colaborativo

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Robot quirúrgico autónomo para cirugía mínimamente invasiva

Entidad financiadora: Junta de Andalucía. Proyectos de Excelencia

Referencia: P07-TEP-2897

Universidad: Universidad de Málaga

Duración: Desde 01/01/2008 hasta 31/12/2012

Investigador Responsable: Víctor Fernando Muñoz Martínez

Habilidades

Group	Ability	Level	Description
Configurability	Mechatronic Configuration	1	Start-up Configuration. The configuration files, or the mechatronic configuration can be altered by the user prior to each task in order to customise the robot system in advance of each cycle of operation.
Interaction	Human-Robot	5	Task sequence control. The system is able to execute sub-tasks autonomously. On completion of the sub-task user interaction is required to select the next sub-task resulting in a sequence of actions that make up a completed task.
	Human-Robot Feedback	2	Vision data feedback. The system feedbacks visual information about the state of the operating environment around the robot based on data captured locally at the robot. The user must interpret this visual imagery to assess the state of the robot or its environment.
	Human-Robot Safety	1	Basic Safety. The robot operates with a basic level of safety appropriate to the task. Maintaining safe operation may depend on the operator being able to stop operation or continuously enable the operating cycle. The maintenance of this level of safety does not depend on software.
Dependability	Dependability	2	Fails Safe. The robot design is such that there are fail safe mechanisms built into the system that will halt the operation of the robot and place it into a safe mode when failures are detected. This includes any failures caused by in-field updates. Dependability is reduced to the ability to fail safely in a proportion of failure modes. Fail safe dependability relies on being able to detect failure.
Motion	Unconstrained	4	Position constrained path motion. The robot carries out predefined moves in sequence where each motion is controlled to ensure position and/or speed goals are satisfied within some error bound.
Manipulation	Grasping	1	Simple pick and place. The robot is able to grasp any object at a known pre-defined location using a single predefined grasp action. The robot is then able to move or orient the object and finally un-grasp it. The robot may also use its Motion Ability to move the object in a particular pattern or to a particular location. Grasping uses open-loop control.
	Holding	1	Simple holding of known object. The robot retains the object as long as no external perturbation of the object occurs.
	Handling	1	Simple release. The robot is able to release an object at a known pre-defined location, but the resulting orientation of the object is unknown. The object should not be prematurely released.

Resumen

La presente propuesta se centra en la reciente línea puesta en marcha por el grupo de investigación solicitante en el campo de la cirugía en solitario en el marco de la cirugía mínimamente invasiva. Esta línea de investigación se centra en la sustitución total del asistente humano por un robot durante la intervención, de manera que este sea capaz de ayudar en el procedimiento quirúrgico en interacción directa con el cirujano. Este tipo de sistemas tiene que poseer la versatilidad necesaria tanto en el sistema de comunicación con la máquina así, como en el tipo de movimientos que realiza de suerte que el cirujano encuentre la misma comodidad que con el asistente humano. Así, el robot tendrá que decidir de forma autónoma cuando y como deberá ayudar en una determinada maniobra quirúrgica para que esta se realice de forma efectiva. No se trata de que el cirujano emita órdenes de manera continua, sino que el sistema robótico sea capaz de interpretar autónomamente al cirujano para actuar en consecuencia.

Para alcanzar este objetivo, se debe abordar el diseño de un interfaz capaz de cubrir toda la interacción requerida entre el robot y el humano que se fundamentará en la recogida de datos a través de diversas fuentes de información. Por ello, este tipo de interfaz tendrá un carácter multimodal y utilizará técnicas cognitivas para la toma de decisiones autónoma la próxima acción del robot. Esta cuestión se llevará a cabo mediante el uso de un planificador de movimientos que lance de forma ordenada, según la información enviada por la interfaz, del desplazamiento requerido para el instrumental quirúrgico que porta el robot. Finalmente, se elaborará un demostrador de asistente robótico que albergue los desarrollos llevados a cabo a lo largo del proyecto y que muestre la operatividad de los logros alcanzados mediante la experimentación in-vitro.

Objetivos planteados y logros alcanzados

1. Diseño y construcción de una estructura cinemática completa y motorizada de un sistema robótico para cirugía en solitario

Se pretende que un solo cirujano sea capaz de realizar las intervenciones laparoscópicas sin la necesidad de un ayudante. Este debe poseer una funcionalidad cinemática determinada que sea adecuada para efectuar las maniobras quirúrgicas de los instrumentos que portan. Asimismo, este diseño cinemático tiene que ajustarse a los requerimientos de espacio del campo quirúrgico y no debe estorbar a los movimientos que realiza normalmente el cirujano.

Logros alcanzados:

Segunda versión del prototipo CISOBOT que tiene en cuenta un estudio de configuraciones que tiene en cuenta la ergonomía en el quirófano.
Calibración cinemática de los brazos robots así como una estimación del comportamiento dinámico de estos.
Sistema de estabilidad dinámica de la estructura para evitar que vuelque por el desplazamiento del centro de gravedad.

2. Diseño de un interfaz-multi-modal basado en órdenes de voz, reconocimiento de gestos quirúrgicos y la imagen suministrada por la imagen laparoscópica

La complejidad de los sistemas robóticos asistentes en la cirugía requieren que para su manejo el uso de diversas fuentes de entradas de órdenes del cirujano para que sea más eficaz la interacción persona-máquina. En este caso, se pretende que ciertas entradas de información sean tratadas de forma autónoma por el robot en aras de tomar ciertas decisiones de movimientos.

Logros alcanzados:

Sistema de reconocimiento de maniobras quirúrgicas basado en redes neuronales que usa la información combinada de dos sensores tracker 3D. De este modo, se evitan sombras que pueden producirse al interponerse algún objeto o el propio cirujano entre el tracker y el instrumental quirúrgico.
Reconocimiento del instrumental quirúrgico dentro de la imagen laparoscópico y la estimación de la posición tridimensional del extremo del instrumental.
Se contempla la recuperación de fallos lógicos como la oclusión accidental de la herramienta, lo cual afectaría al reconocimiento de las maniobras quirúrgicas.

3. Puesta en marcha de escenarios quirúrgicos donde se demuestre y asistencia del robot en maniobras quirúrgicas

Se pretende la identificación de situaciones concretas donde el robot puede asistir mediante movimientos autónomos al cirujano lanzados mediante el interfaz multi-modal desarrollado y fundamentados en los sistemas de planificación de movimientos del instrumental quirúrgico desarrollados en prototipos robóticos anteriores.

Logros alcanzados:

Modelado matemático de la maniobra de sutura según el método de Rosen en las que se ha identificado la interacción entre el robot y la persona, las acciones que realizará el robot, el cirujano y la función concreta del interfaz multi-modal desarrollado.
Integración en el sistema de control de movimientos del robot las funcionalidades del interfaz multi-modal con las del planificador de movimientos del instrumental quirúrgico.
Entrenamiento del sistema de reconocimiento de gestos para las maniobras concretas empleadas en el procedimiento de sutura.
Validación mediante la experimentación del sistema de movimientos autónomos desarrollado para el escenario considerado de sutura