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Proyecto CISOBOT Autoguiado

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Robot quirúrgico autoguiado para cirugía mínimamente invasiva en solitario

Entidad financiadora: Ministerio de Ciencia e innovación. CICYT

Referencia: DPI2007-62257

Universidad: Universidad de Málaga

Duración: Desde 01/10/2007 hasta 31/12/2010

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 pretende abordar el problema de la cirugía en solitario mediante un sistema robótico autónomo dotado de dos brazos capaces de realizar movimientos de forma autoguiada. Uno se encargará de guiar la cámara laparoscópica y otro se utilizará para mover un instrumental adicional. De este modo, en intervenciones dónde resulta necesario un cirujano principal y otro ayudante, con el apoyo de estos dos brazos se pretende sustituir éste último. Este objetivo se aplicará a ciertos procedimientos de cirugía laparoscópica en los que se identificará la posibilidad de la ejecución de maniobras específicas de forma autónoma, para la cual se utilizarán varias fuentes de realimentación sensorial. No se trata de seguir la línea de los sistemas de tele-cirugía robotizada, donde el robot es el único en contacto con el enfermo. Se pretende que el robot coopere con el cirujano, que estará presente en el quirófano y en contacto con el paciente. La comunicación entre cirujano y robot se realizará directamente a través de interfaces que no interfieran con las labores habituales del cirujano durante la intervención, como el uso del reconocimiento de voz combinado con gestos efectuados por el cirujano con el instrumental que usa para la intervención y que son capturados a través de la cámara laparoscópica.

Para ello, se abordará el desarrollo de técnicas para el modelado de un conjunto de intervenciones susceptibles de realizar por cirugía mínimamente invasiva con el objeto de identificar las maniobras que puede ejecutar el asistente robótico descrito, el estudio de técnicas de posicionamiento punto a punto del instrumental quirúrgico adecuadas para diversas configuraciones de muñecas de los brazos robotizados, estrategias de coordinación de movimientos persona-máquina necesarias para automatizar las tareas identificadas, y la integración de todo ello en un sistema robótico de dos brazos donde se incidirán en los aspectos relativos a la seguridad. Para verificar todo el trabajo realizado se prevé la realización de una serie de experimentos in-vitro.

Objetivos planteados y logros alcanzados

1. Establecer las tareas que puede realizar un sistema robótico dotado de dos brazos de forma autoguiada o semiautoguiada

Se realizarán en interrelación con el cirujano, y en un conjunto seleccionado de intervenciones por cirugía mínimamente invasiva.

Logros alcanzados:

Se han modelado protocolo de intervenciones in-vitro mediante modelos del tipo estocástico. Estos recogen la secuencia de maniobras de un protocolo y una descripción de estas primeras fundamentada en las acciones básicas que las componen.
Mediante el estudio de intervenciones, se ha considerado para evaluar el robot maniobras relativas a la ayuda de la resección de la vesícula, el transporte de material como gasas en el interior del abdomen y la limpieza de la óptica sin extraerla.

2. Diseño de algoritmos para el autoguiado de instrumental quirúrgico

Se enfocará a procedimientos de cirugía laparoscópica y que interaccionen con el cirujano.

Logros alcanzados:

Diseño e implantación de algoritmos de control de movimientos del instrumental quirúrgico basados en muñecas motorizadas y no motorizadas. Ambos esquemas se han analizado desde los puntos de vista teórico y práctico. Asimismo, se ha desarrollado un procedimiento de guiado del instrumental quirúrgico por parte del robot para el transporte de material dentro del abdomen. Este procedimiento ha sido puesto en práctica en el prototipo de robot desarrollado.

3. Definir e implantar una arquitectura tolerante a fallos

Ésta se utilizará para la integración de las tecnologías desarrolladas en al ámbito de la automatización de tareas en un asistente robótico de dos brazos.

Logros alcanzados:

Se ha definido una arquitectura abierta de tiempo real para albergar el control de movimientos del robot. Esta permite el desarrollo rápido de nuevos algoritmos y metodologías sobre los tres niveles de control considerados: articular, esférico y de autoguiado. Cada nivel trata las excepciones que se produzcan, destacándose el supervisor realizado para diagnosticar las situaciones de fallo que se pueden producir con la herramienta que interacciona con el cuerpo.

4. Medir y evaluar la eficiencia del sistema robótico

Se realizará mediante la ejecución de una serie de experimentos in-vitro.

Logros alcanzados:

Mediante la participación de los cirujanos se ha evaluado principalmente el interfaz multi-modal y los movimientos autoguiados del demostrador. Sobre el primer aspecto se ha estudiado que el nivel de reconocimiento de órdenes se incrementa con respecto al uso en solitario de un reconocedor de voz. En cuanto a los movimientos autoguiados se estudiado la colaboración del cirujano con el robot así como la detección de situaciones de fallo.