Pobierz
advertisement
Zastosowanie Robotyki w Medycynie Zastosowanie robotyki w chirurgii Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów Miniaturowe roboty chirurgiczne Wyeliminowanie wszystkich zewnętrznych nacięć – redukcja inwazyjności zabiegów chirugicznych. Dostęp do jamy otrzewnej przez naturalny otwór (technika NOTES) lub pojedyncze nacięcie – wyzwanie chirurgiczne. NOTES – Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery – wykonywanie operacji przez naturalne otwory ciała przy użyciu endoskopu i odpowiednich narzędzi chirurgicznych. Zaleta – przeprowadzenie operacji wewnątrz jamy otrzewnej bez konieczności cięcia powłok jamy brzusznej. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 2 1 Miniaturowe roboty chirurgiczne zmniejszenie bólu pooperacyjnego, eliminuje problem zakażenia ran, minimalizuje ryzyko powstania przepuklin pooperacyjnych, pozwala zmniejszyć liczbę pooperacyjnych zrostów, efekt kosmetyczny. Technika Notes pozwala skrócić czas pobytu w szpitalu i okres powrotu do pełnej aktywności życiowej – zmniejszenie całkowitego kosztu hospitalizacji. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 3 Miniaturowe roboty chirurgiczne W technice NOTES istnieją trzy zasadnicze drogi dojścia do otrzewnej: ◦ górny odcinek przewodu pokarmowego (żołądek), ◦ dolny odcinek przewodu pokarmowego (górna część odbytnicy), ◦ pochwa. Droga przezżołądkowa: ◦ giętki endoskop wprowadza się przez usta chorego do żołądka, ◦ Przejście przez przednią ścianę żołądka i wejście do jamy otrzewnej (ultrasonografia). ◦ Wady: większe prawdopodobieństwo infekcji, wąska średnica otworu, trudność manewrowania. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 4 2 Miniaturowe roboty chirurgiczne Problem – stworzeni optymalnego instrumentarium. ◦ Giętkie endoskopy wykorzystywane obecnie w zabiegach NOTES cechuje zbyt mała stabilność i zwrotność, mają one często ograniczony zasięg, uniemożliwiają jednocześnie pracę kilku narzędzi. ◦ Zła jakość uzyskanego obrazu, problemy w uzyskaniu wierności odwzorowania stosunków anatomicznych pomiędzy tkankami, obraz odwrócony. ◦ Endoskopy dwukanałowe z systemem ShapeLock (utrwalenie kształtu giętkiego endoskopu). ◦ Stosowanie techniki uchwytów magnetycznych MAGS (Magnetic Anchoring and Guidance System) – regulacja położenia narzędzia Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 5 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 6 3 Miniaturowe roboty chirurgiczne Operacja LESS – Laparo-Endoscopic Single-Site Surgery Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 7 Miniaturowe roboty chirurgiczne Zastosowanie miniaturowych robotów (in-vivo) – „platforma robotyczna” zainstalowana wewnątrz jamy otrzewnowej – wizualizacja (rola endoskopu) W przeciwieństwie do elastycznych endoskopów - uzyskujemy sprzężenie wizyjne, które nie jest ograniczone przez oś endoskopu lub punkt „penetracji”. Platforma robotyczna może przemieszczać się w dowolnym kierunku jamy otrzewnej – mobilny robot do obrazowania (Mobile Camera Robot) Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 8 4 Miniaturowe roboty chirurgiczne Dwa aluminiowe koła niezależnie napędzane za pomocą silników prądu stałego z magnesami trwałymi o średnicy 6mm, Silniki umieszczono w cylindrycznym korpusie, w którym umieszczono układ sterowania, kamerę i chwytak do wykonywania biopsji kamera, diody LED. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 9 Miniaturowe roboty chirurgiczne Wewnętrzne i zewnętrzne średnice koła - 17mm i 20mm. Prędkość robota ok. 2cm/s. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10 5 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 11 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 12 6 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 13 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 14 7 Miniaturowe roboty chirurgiczne Funkcjonalność robota do manipulacji ma być analogiczna do standardowych narzędzi laparoskopowych. Podstawą konstrukcji robota jest zastąpienie dwóch narzędzi laparoskopowych przez platformę z dwoma ramionami. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 15 Miniaturowe roboty medyczne Robot posiada dwa ramiona podłączone do centralnego korpusu. Każde ramię ma chwytak lub elektrodę koagulacji tkanek. W centralnej części robota zamontowano kamerę oraz diody LED do oświetlenia pola operacji. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 16 8 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 17 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 18 9 Miniaturowe roboty chirurgiczne Magnesy znajdujące się w centralnym korpusie robota współdziałają z magnesami w konsoli chirurgicznej. Robot posiada dwie konfiguracje: ◦ elastyczna - umożliwia wprowadzanie, ◦ robocza - zapewnia stabilną manipulację. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 19 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 20 10 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 21 Miniaturowe roboty chirurgiczne HeartLander (kilkucentymetrowy)– wykonywanie małoinwazyjnych operacji na żywym sercu Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 22 11 Miniaturowe roboty chirurgiczne HeartLander przemieszcza się po organizmie z prędkością 18 centymetrów na minutę W obecnej wersji robot składa się z dwóch części przedniej i tylniej. Każda z nich ma wymiary 6,5 mm x 8 mm x 10 mm (wysokość x szerokość x długość). Robot "wchodzi" do wnętrza klatki piersiowej poprzez nacięcie (20 mm) wykonane poniżej mostka. Po dotarciu do serca, przylega do jego zewnętrznych ścianek. Operacja na sercu odbywa się pod kontrolą lekarza - urządzenie jest sterowane dżojstikiem. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 23 Miniaturowe roboty chirurgiczne W obecnej wersji HeartLander do przemieszczania się wewnątrz żywego organizmu wykorzystuje układ podciśnienia do którego prowadzi przewód z podciśnieniem wytwarzanym na zewnątrz. Jest napędzany poprzez silniki znajdujące się również na zewnątrz, połączone z robotem trzema kablami. Ruch - podobny do sposobu poruszania się gąsienicy. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 24 12 Miniaturowe roboty chirurgiczne Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 25 Miniaturowe roboty chirurgiczne Zalety ◦ Stabilizacja – możliwość przyczepienia się do serca – działanie robota nie jest zakłócone przez bijące serce ◦ Lokalizacja – pomiar bezpośrednio na bijącym sercu, ◦ Ochrona płuc - system elastyczny – nie narusza przestrzeni płuc ◦ Łatwa zmiana pola operacji - łatwość dostępu do każdego miejsca na powierzchni serca ◦ Tani i jednorazowy system - tańszy od systemów telemanipulacyjnych Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 26 13 Miniaturowe roboty chirurgiczne Zastosowanie ◦ Ablacja migotania przedsionków ◦ Umieszczenie przewodów do stymulacji dwukomorowej, ◦ Zastosowanie komórek macierzystych do regeracji mięśnia serca Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 27 Roboty chirurgiczne ROBODOC ◦ Konstrukcja rozwijana od 1990, 1996 – komercjalizacja ◦ Zastosowanie – wspomaganie operacji wszczepiania protez stawu biodrowego – precyzyjna obróbka leja w kości biodrowej, ◦ Wszczepianie protez stawu kolanowego, ◦ Kinematyka typu SCARA ◦ Na końcu ramienia frez z napędem pneumatycznym mocowany za pośrednictwem czujnika sił i momentów ◦ Przed operacją – odpowiednie zaplanowanie położenia protezy oraz trajektorii obróbki 14 Roboty chirurgiczne Roboty chirurgiczne ROBODOC - zalety: ◦ dokładniejszy kształt gniazda (96% powierzchni implantu styka się z kością w porównaniu z 20% podczas klasycznej operacji), ◦ Mniejsze luzy między protezą a kością (0,05 mm w porównaniu z 1-4 mm), ◦ Mniejsze naprężenia punktowe w kości, 15 Roboty chirurgiczne Roboty chirurgiczne Robot Mars (MiniAture Robot for Surgery) – SpineAssist ◦ Manipulator mocowany do ciała pacjenta, ◦ Miniaturowa struktura równoległa – platforma Stewarda – o 6 stopniach swobody ◦ Wymiary: 5x8x8 cm, masa 250g, ◦ Dokładność: 0,1 mm, ◦ Przeznaczenie – wykonywanie operacji kręgosłupa, ◦ Dolna platforma jest sztywno montowana do struktur kostnych pacjenta za pośrednictwem dodatkowej ramy ◦ Górna platforma – sterowana za pośrednictwem 6 elektrycznych serwonapędów liniowych – mocowanie narzędzia chirurgicznego. 16 Roboty chirurgiczne Robot Mars ◦ Przestrzeń robocza – zbliżona do walca o średnicy 40mm i wysokości 16mm ◦ Zaprojektowany do pracy w trybie półaktywnym – pozycjonowanie i orientowanie tulei prowadzącej w określonym położeniu – wprowadzenie narzędzia chirurgicznego. Roboty chirurgiczne 17 Roboty chirurgiczne Robot Mars – etapy operacji ◦ Planowanie przedoperacyjne – pozycjonowanie narzędzia – trójwymiarowy model kręgosłupa pacjenta wygenerowany na podstawie danych z tomografii komputerowej ◦ Instalacja elementów mocujących robota do struktur kostnych pacjenta ◦ Rejestracja robota – 4 zdjęcia kręgosłupa z zamontowaną ramą lub klamrami – automatyczne łączone z obrazem z tomografii. Wyliczenie relacji między układem współrzędnych robota, anatomią pacjenta i planem operacji Roboty chirurgiczne Robot Mars – etapy operacji ◦ Pozycjonowanie robota – mocowanie robota do bazy, przemieszczenie do zdefiniowanej pozycji. ◦ Ręczna operacja przez tuleję prowadzącą 18 Roboty neurochirurgiczne SurgiScope ◦ Wspomaga operacje neurochirurgiczne, ◦ Budowa modułowa: Precyzyjne pozycjonowanie – robot typu Delta (podwieszany do sufitu sali operacyjnej) – 6 stopni swobody Na robocie zmontowany mikroskop chirurgiczny Wskaźnik laserowy – precyzyjne definiowanie punktów w przestrzeni 3D Uniwersalny uchwyt – narzędzia chirurgiczne Roboty neurochirurgiczne 19 Roboty radiologiczne CyberKnife ◦ Oddziaływanie na chorobowo zmienione tkanki pacjenta – radiochirurgia ◦ Radiochirurgia – napromieniowanie chorych tkanek przy jednoczesnej ochrony reszty ciała przed promieniowaniem. ◦ 1987 – Stanford University – metoda precyzyjnego napromieniowania z wykorzystaniem obrazowania za pomocą komputerowej tomografii lub rezonansu magnetycznego ◦ CyberKnife: Akcelerator liniowy 6MV, Robot KUKA Dwa prostopadłe rejestratory rentgenowskie Roboty radiologiczne 20 Roboty radiologiczne CyberKnife ◦ Leczenie: Wykonanie tomografii komputerowej – planowanie trajektorii robota – tworzenie przestrzennej ścieżki ruchu akcelerometru względem pacjenta Podczas naświetlania automatycznie i w sposób ciągły określa się położenie pacjenta – na podstawie danych z rejestratorów rentgenowskich Roboty radiologiczne 21 Roboty radiologiczne 22 23
