Referaty sesja 4p.indd - Pomiary Automatyka Robotyka

Referaty sesja 4p.indd - Pomiary Automatyka Robotyka

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
dr Zbigniew Nawrat
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, Zabrze
dr in. Pawe Kostka
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, Zabrze
Politechnika lska w Gliwicach, Instytut Elektroniki
mgr in. Wojciech Dybka
mgr Wojciech Sadowski
mgr in. Kamil Rohr
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, Zabrze
NOWE MECHATRONICZNE NARZDZIA CHIRURGICZNE
ROBIN HEART UNI SYSTEM
Wspóczesna medycyna rozwija si w znacznej mierze dziki zastosowaniu najnowszych osigni nauk cisych, wdraaniu nowych metod, technik
i technologii. Artyku stanowi prób przegldu kierunków rozwoju narzdzi stosowanych w chirurgii maoinwazyjnej ze specjalnym uwzgldnieniem najnowszych dowiadcze wasnych – projektu Robin Heart Uni Tools.
THE ROBIN HEART UNI SYSTEM
MECHATRONIC SURGICAL TOOLS
Present medicine develops in considerable measure thanks to the use of newest
achievements of sciences as well as new methods, techniques and technologies
introduction. Presented article is the review of directions of surgery tools development used in mini invasive surgery with special regard of own, currently performed experiences arrangement – project Robin Heart Uni Tools.
1. WPROWADZENIE
Obecnie bardzo silnie rozwijaj si mniej inwazyjne metody operacji chirurgicznych. Dziki
tego typu operacjom pacjenci szybciej powracaj do zdrowia i aktywnoci yciowej, operacje
zwizane s z mniejszym urazem tkanek, mniej jest krwawienia, rónych komplikacji, bólu.
Moliwoci przeprowadzenia maoinwazyjnego zabiegu chirurgicznego s w znacznym zakresie uzalenione od stosowanego instrumentarium. Popraw ergonomicznoci i precyzji
(szczególnie istotnej podczas operacji na bijcym sercu) mona uzyska dziki rozwijaniu
nowych narzdzi mechatronicznych: robotów i póautomatycznych narzdzi chirurgicznych.
Obecnie trwaj w FRK prace w obszarze badawczym „Roboty i Innowacyjne Narzdzia
Chirurgii” celu opracowywania i wdroenia klinicznego innowacyjnego systemu narzdzi dla
chirurga. Zakres prowadzonych dziaa obejmuje zarówno mechatroniczne urzdzenia przeduajce rce operujcego w sposób mniej inwazyjny pacjenta (roboty, póautomatyczne
532
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
narzdzia) jak i zastosowanie wszystkich metod modelowania i symulacji dla optymalizacji
przebiegu i efektu operacji chirurgicznej oraz zaplecze dydaktyczne (stanowiska i metody
treningowe chirurgów, telekonsultacje). Dobra i rzeczowa wspópraca multydyscyplinarnego
zespou naukowo-badawczego z lekarzami jest jednym z silnych argumentów prowadzonych
projektów.
Celem naszego projektu jest upowszechnienie zdobyczy technologicznych ostatnich lat
w postaci dostpnych szeroko narzdzi nowej generacji. W wyniku pracy w projekcie powstan nowej klasy zunifikowane, wielozadaniowe narzdzia o wysokiej funkcjonalnoci
pozwalajce na usprawnienie sposobu prowadzenia zabiegów chirurgicznych na narzdach
wewntrznych mikkich, gównie dla ukadu sercowo-naczyniowego. Opisywany projekt jest
kolejnym krokiem w celu uruchomienia produkcji w Polsce oryginalnego systemu, rodziny
nowoczesnych urzdze wspomagajcych prac chirurga w czasie operacji maoinwazyjnych.
Rynek stale si rozwija, obecnie takich operacji rocznie robi si ponad cztery miliony na caym wiecie.
2.
PROJEKTOWANIE
W fazie projektowania wykorzystujemy wszystkie klasyczne narzdzia sztuki inynierskiej.
Jednak specyfika opracowywanych urzdze wymaga wymaga sciesej konsultacji
z odbiorcami, przyszymi uytkownikami narzdzi. Doskonalimy jzyk wspópracy
z lekarzami rozwijajc wirtualn sal operacyjn wykorzystujca technologie wizualizacji
trójwymiarowej projektowanych narzdzi w przestrzeni modelowej operacji (pacjent, sala
operacyjna). Z drugiej strony wszystkie nasze urzdzenia s testowane w czasie organizowanych warsztatów chirurgicznych, gdzie na przygotowanych modelach fizycznych mog by
porównane z klasycznymi i laparoskopowymi narzdziami i technikami operacji.
Opracowane narzdzia, z definicji jako narzdzia chirurgiczne, przeznaczone s do wykonywania precyzyjnej pracy o charakterze mechanicznym w celu dokonania odpowiedniej modyfikacji w ukadzie krenia, sercu czy innym elemencie organizmu pacjenta zmienionym
przez rozwój choroby (lub wystpujca jako wada wrodzona). Ich charakterystyczn cech
jest jednak, w przypadku operowania przez niewielkie otwory w ciele pacjenta (operacje maoinwazyjne), brak odpowiedniej, bezporedniej widocznoci operowanego organu oraz upoledzenie lub zupena utrata czucia w zetkniciu z organem doni za porednictwem posiadanych narzdzi. Zarówno wymagania ergonomii, bezpieczestwa jak i zwikszonej potrzeby
automation 2009
533
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
precyzji operowania wymagaj zastosowania nowych technologii i rodków technicznych dla
ich realizacji. Narzdzia nie mog by w peni mechaniczne co do istoty konstrukcji. Nasze
projekty stanowi zaawansowana prób wprowadzenia elementów mechatronicznych (mechaniczno-elektroniczno-informatycznych) co w praktyce sprowadza si do stosowania elektro-napdów oraz odpowiednio oprogramowanych procesorów do sterowania niektórymi
funkcjami narzdzi, lub te – globalnie - do wprowadzenia robotów do chirurgii. Dosownie
w rku chirurga pozostaje przekaz decyzji o wykonaniu okrelonego zadania dla narzdzia
natomiast efekt ruchu i realizacji zadania wykonywany jest za porednictwem skomplikowanego ukadu elektromechanicznego z nadzorem ukadu sterowania.
Jednym z istotnych elementów strategii projektowania narzdzi jest nie tylko wiedza na temat
samego zadania, w tym np. oddziaywania narzdzi na tkanki ale te cis wspópraca
i zrozumienie specyfiki dowiadczenia chirurga. To od niego, jego sprawnoci i wiedzy zaley efekt kocowy operacji, to on jest klientem, który zdecyduje o zakupie i zakresie stosowania projektowanych narzdzi.
W chirurgii endoskopowej chirurg oglda anatomi od wntrza dziki kamerze kontrolowanej
przez asystenta. Przestrze wzrokowa i motoryczna nie s spójne a odczucie dotyku (sprzenie siowe) jest zuboone co komplikuje typow scen chirurgiczn, wywouje trudnoci w
percepcji przestrzennej, szczególnie przy identyfikacji granic anatomicznych podczas posugiwania si kamer i instrumentami. Gównym zadaniem teleoperacyjnej stacji roboczej, do
dzi jeszcze nie zrealizowanym zadawalajco jest przywrócenie zdolnoci manipulacyjnych i
czuciowych chirurga, które zostay odebrane wskutek zastosowania chirurgii minimalnie inwazyjnej. Efekt ten moemy uzyska dziki zastosowaniu manipulatora o szeciu stopniach
swobody, posiadajcego dwie ptle sprzenia zwrotnego - sprzenie zwrotne siy i sprzenie zwrotne dotyku.
W konwencjonalnym narzdziu laparoskopowym dostpny jest zakres ruchomoci okrelany
przez cztery stopnie swobody (nie wliczajc ruchu kocówki wykonawczej):
x Translacja wzdu trzonu narzdzia
x Obrót wokó osi translacji
x Ograniczone wychylenia w paszczynie
Wiksze moliwoci s osigane przez narzdzia zrobotyzowane.
534
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
3.
ROBIN HEART UNI SYSTEM
Gwatowny rozwój mniej inwazyjnych technik chirurgicznych, które zastpuj wiele zabiegów przeprowadzanych do tej pory metodami klasycznymi, jest wynikiem oczekiwa pacjentów i wymaga jakie stawiaj lekarze. Pacjenci poddani operacji maoinwazyjnej s mniej
naraeni na ból, skraca si równie czas rekonwalescencji a przy wsparciu innowacji technicznych i wzrocie dowiadczenia chirurga – równie skraca si czas operowania.
Skuteczno prowadzenia takich zabiegów w znacznej mierze zaley od narzdzi. Wymagania jakie stawia metoda nie powinny zmniejsza precyzji operowania. Robot chirurgiczny
pokona ograniczenia tradycyjnych przyrzdów endoskopowych, które maj tyko cztery stopnie swobody (DOF). Niektóre ze stosowanych narzdzi wykonawczych robotów maj obecnie 5-6 stopni swobody oraz dodatkowo pewne moliwoci wykonywania zoonych, oprogramowanych ruchów. Roboty maj wymienne narzdzia stosowane w zalenoci od potrzeb
– noe harmoniczne, kleszczyki itp. Tak zwane szybkozcze powinno umoliwi szybk
wymian narzdzia przez asystenta oraz zapewni moliwo sterylnego poczenia „czystego” narzdzia ze staym ramieniem robota.
Innowacyjne narzdzia laparoskopowe wykorzystuj rozwizania mechatroniczne uatwiajc
wykonanie zadania lub wykonujc zadanie automatycznie. W trakcie prowadzenia zabiegów
maoinwazyjnych wzrasta rola urzdze, mechanizmów uatwiajcych wykonywanie niektórych fragmentów operacji. Do czenia elementów tkankowych i sztucznych do ukadu krenia stosowanych jest szereg narzdzi opartych na rónych, póautomatycznych metodach:
klipsownice, staplery i inne zszywacze.
Wanym elementem naszego projektu jest opracowanie odpowiednich technologii materiaowych wspierajcych celowo uzyskanie okrelonych efektów, zjawisk fizycznych czy biochemicznych – zwizanych z wymogami leczenia (np. uwalnianie okrelonych leków) lub techniki inynierskiej (np. zmniejszenie tarcia, zwikszenie trwaoci mechanicznej lub uzyskanie
odpowiedniego izolacji elektrycznej).
Celem projektu jest zbadanie zupenie nowej idei, zarówno w zakresie konstrukcji jak
i algorytmów sterowania: uniwersalnych narzdzi do operacji maoinwazyjnych, które mona
zamocowa na ramieniu robota lub te, umieszczone w specjalnym uchwycie, stosowa jako
póautomatyczne manualne narzdzie laparoskopowe. Opracowane narzdzia s napdzane
elektrycznie, ich nowoci jest moliwo wyboru zamocowania albo na ramieniu robota albo
automation 2009
535
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
w specjalnych uchwytach wyposaonych w laparoskopowe zadajniki rczne i prowadzenie
operacji rcznie bez uycia robota. Podstawow zalet w takim zastosowaniu bdzie wytworzenie potrzebnych przy operacji funkcji manipulacyjnych narzdzia niemoliwych do bezporedniego zadawania przez operatora w rozwizaniach klasycznych narzdzi laparoskopowych.
Do prowadzenia operacji metodami maoinwazyjnymi konieczne jest w zakresie pracy narzdzi:
„preparowanie tkanek,
„podwizywanie przewodów, naczy i odcitych swobodnych krawdzi tkanek (klipsowanie),
„przecinanie przewodów, naczy i tkanek narzdów,
„usuwanie fragmentów tkanek i narzdów,
„szycie tkanek.
W wyniku pracy w projekcie powstaj modele zupenie nowej klasy wielozadaniowych narzdzi o wysokiej funkcjonalnoci pozwalajcych na usprawnienie sposobu prowadzenia zabiegów operacyjnych na narzdach wewntrznych mikkich, zarówno z uyciem robotów jak
i sterowanych rcznie.
W Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii przeprowadzono badania fizyczne rónych elementów
operacji. Okrelono siy dziaajce podczas zacigania wza, cicia skalpelem czy te wbijania igy [1]. Zaprojektowano konkretne elementy napdowe mechanizmów i dokonano analizy wytrzymaociowej napdów. Zaprojektowano kocówki laparoskopowe z odpowiednimi
mechanizmami napdowymi, które mog stanowi cz kocow kadego ze skonstruowanych wczeniej napdów. We wspópracy z Politechnika ódzk powstaj narzdzia z wymiennymi kocówkami, we zespole zabrzaskim – próbujemy szuka tanich technologii produkcji wielorazowych narzdzi zautomatyzowanych oraz elementów zszywajcych. Opracowana i zrealizowana pilotaowo procedura wytwarzania prototypowych i modelowych kocówek narzdzi, obejmuje:
A. Projekt narzdzia w srodowisku CAD (Inventor 2008)
B. Komputerowy wydruk na drukarce 3D (woskowy)
C. Odlew pod cinieniem metod trconego wosku ze stali biokompatybilnej stosowanej
w stomatologii (pod korony protez zbowych)
D. Obróbka mechaniczna (frezowanie, wiercenie, szlifowanie, polerowanie)
536
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
Wykonano nowe narzdzie o znacznie podwyszonej ergonomicznoci i funkcjonalnoci.
Skada si ono z odpowiednio uksztatowanej rczki, w której w sposób wygodny mona sterowa dwoma przyciskami (lub przyciskiem i tzw. mikrodzojstikiem kulowym o dwóch stopniach swobody z moliwoci uruchomienia przycisku) palcem wskazujcym i palcem rodkowym oraz pokrta lub mikrodojstika uruchamianego kciukiem. Opracowany uchwyt spenia wane zaoenie – umoliwia utrzymanie w doni stosunkowo cikich pierwszych modeli
automatycznych narzdzi. Jest kompromisem pomidzy moliwoci wygodnego operowania
palcami oraz moliwoci sprawnego orientowania narzdzia podczas operacji. Na podstawie
projektu wykonano metod szybkiego prototypowania wykonano uchwyt [Rys.1]. Uksztatowanie uchwytu przez otoczenie doni sterujcego tworzy efekt, który odczuwany jest przez
operatora jako pewno, e stabilnie „ley” w doni ale umoliwia peny zakres ktowy orientacji w przestrzeni. Objto uchwytu pozwala na schowanie we wntrzu ukadów
elektroniczno-napdowych, procesorów, akumulatorów itp. Uchwyt umoliwia za pomoc
tzw. szybkozczki zamontowanie narzdzia które moe by zamontowane równie na
ramieniu robota. Narzdzie w wersji podstawowej, testowej posiada dwa stopnie swobody:
zacisk-otwarcie szczk oraz zmiana ktowej orientacji kocówki narzdziowej.
Rys. 1. Projekt narzdzia Robin Uni System 1
Wybrane stopnie swobody póautomatycznego narzdzia Robin Uni System napdzane s
moduami zawierajcymi silniki bezszczotkowe rodziny EC6 (rednica zewn. 6 mm) szwajcarskiej firmy Maxon, przekadnie planetarne oraz elementy toru sterowania: czujniki Halla,
przetworniki obrotowo/impulsowe oraz sterowniki niskiego poziomu EPOS. Moduy napdowe podczone s równolegle do magistrali CAN, gdzie przesyane s rozkazy sterujce
prac systemu z centralne jednostki sterowania opartej na tym etapie rozwoju projektu, na
jednostce National Instrument (magistrala PXI), pracujcej w systemie czasu rzeczywistego,
wyposaonej w kart PXI penic funkcj moduu CAN Master. Zaawansowana karta FPGA
automation 2009
537
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
(RIO) spenia funkcj akwizycji sygnaów wejciowych systemu oraz sprztowego ich przetwarzania co zapewnia odpowiedni synchronizacj pracy caego systemu sterowania i wypracowywania danych dla moduu wyjciowego CAN.
Uycie tak zaawansowanej platformy sprztowej na etapie uruchamiania i weryfikacji podstawowych zaoe projektu Robin Uni System prócz zapewnienia podstawowej funkcjonalnoci, umoliwia równie istotny monitoring parametrów wewntrznych systemu, istotnych
dla oceny dziaania i dalszej optymalizacji systemu sterowania, którego finalna implementacja planowana jest na znacznie prostszym ale wystarczajcym mikrokontrolerze 16-bitowym.
4. WNIOSKI
Wspóczesne techniki operacyjne stay si w znacznym zakresie uzalenione od instrumentarium, technicznego uzbrojenia stanowiska operacyjnego. Opracowane w ostatnim okresie
narzdzia endoskopowe i wypracowane techniki laparoskopowe otworzyy nowe moliwoci
prowadzenia operacji, zupenie nieznane w dotychczasowej chirurgii klasycznej.
Opracowano nowe, mechatroniczne wielofunkcyjne narzdzie w ramach projektu Robin Heart Uni System.
Przedmiotem testów laboratoryjnych bdzie komplet innowacyjnego uchwytu z narzdziem
o dwóch oraz czterech stopniach swobody. Narzdzia bd przetestowane w styczniu 2009 r.
podczas pierwszych testów na zwierztach systemu robota Robin Heart.
Autorzy maj nadziej, e stworz nowy standard, wygodnych, sprawnych, popularnych narzdzi dla chirurgii miniinwazyjnej.
LITERATURA
[1] Z. Nawrat, P.Kostka, W.Dybka, K.Rohr. „Nowatorskie póautomatyczne narzdzia laparoskopowe ROBIN HEART UNI TOOLS.” XII Konferencja Naukowo-Techniczna Automatyzacja - Nowoci i Perspektywy, 2008, Warszawa. PAR – Pomiary Automatyka Robotyka.
Miesicznik Naukowo-Techniczny. 2/2008
Podzikowania: Projekt Robin Heart Uni System jest realizowany w ramach projektu rozwojowego Nr R13 033 01, Projekt robota Robin Heart by finansowany w ramach projektu badawczego KBN 8 T11E 001 18, przez Fundacj Rozwoju Kardiochirurgii i wielu sponsorów.
Autorzy dzikuj wszystkim, którzy przyczyniaj si do powstania opracowywanych innowacyjnych narzdzi chirurga, w szczególnoci grup studentów i absolwentów przygotowujcych
prace dyplomowe i doktorskie we wspópracy z naszym orodkiem.
538
automation 2009