Teleoperación de Instrumentos Quirúrgicos Articulados

TELEOPERACI ´ ON DE INSTRUMENTOS QUIR ´ URGICOS ARTICULADOS A. M. G´omez Delgado, C.J. P´erez del Pulgar Mancebo, A. Reina Terol, V.F. Mu˜noz Departamento de Ingenier´ıa de Sistemas y Autom´atica, Universidad de M´alaga, Andalucia Tech carlosp[email protected] Resumen En los ´ultimos a˜nos se han llevado a cabo grandes avances en el ´ambito de la rob´otica m´edica que han dado lugar al estudio y desarrollo de diversos robots quir´urgicos. En particular, la cirug´ıa minimamente invasiva ha evolucionado hacia lo que se denomina cirug´ıa de un ´unico puerto. Este tipo de cirug´ıa permite introducir todos los instrumentos a trav´es de un ´unico punto de inserci´on. En este sentido, en este trabajo se describe la plataforma CISOBOT, desarrollada por la Universidad de M´alaga para este tipo de intervenciones, as´ı como su ampliaci´on a trav´es del dise˜no mecatr´onico de un instrumento motorizado que permite mover la punta de ´este. El objetivo de esta plataforma es el estudio de nuevos algoritmos de control que permitan la teleoperaci´on bilateral y el empleo de guiado h´aptico. Palabras clave: Teleoperaci´on, rob´otica m´edica, instrumento motorizado, dispositivo h´aptico 1 INTRODUCCI ´ ON En los ´ultimos a˜nos, se han realizado grandes avances relacionados con las t´ecnicas quir´urgicas basadas en cirug´ıa minimamente invasiva (MIS). El estudio y desarrollo de t´ecnicas SILS (cirug´ıas de un solo puerto por sus siglas en ingl´es) han permitido introducir varios instrumentos articulados a trav´es de un mismo punto de inserci´on (fulcro). Algunos ejemplos son: cirug´ıa por una sola incisi´on (SPAS), laparoscopia por una sola incisi´on (LESS) o cirug´ıa endosc´opica transluminal a trav´es de orificios naturales (NOTES) [3]. Este tipo de procedimientos aportan ventajas al paciente como: disminuci´on del malestar, riesgo de hemorragias y complicaciones, debido al menor trauma causado por el menor n´umero de incisiones. Adem´as, el tiempo de recuperaci´on se ve tambi´en disminuido por este mismo motivo [5]. Sin embargo, estos beneficios derivan en nuevos inconvenientes para el cirujano. Se debe tener en cuenta el posible choque entre instrumentos tanto fuera como dentro del abdomen del paciente deFigura 1: Ejemplo de sistema de teleoperaci´on en cirug´ıa. bido a la introducci´on de varios instrumentos a trav´es del mismo trocar. Adem´as, la c´amara laparosc´opica tambi´en se introduce por la misma incisi´on, provocando una p´erdida de triangulaci´on y una reducci´on del campo de visi´on dentro del abdomen debido a su proximidad a los instrumentos [8]. El empleo de plataformas rob´oticas de teleoperaci´on se emplean en cirug´ıa para mejorar las habilidades del cirujano en intervenciones quir´urgicas [10]. Estas plataformas se basan en una arquitectura maestro esclavo tal y como que muestra en la Figura 1. El cirujano env´ıa las ´ordenes mediante una consola (maestro) dotada normalmente de una pantalla y dispositivos h´apticos. Estas ´ordenes son recibidas por uno o varios manipuladores que son los encargados de reproducir los movimientos del cirujano. El empleo de estas plataformas aparece como una soluci´on que podr´ıa apaliar las desventajas explicadas anteriormente, se podr´ıa disponer de un sistema capaz de detectar y esquivar la colisi´on de instrumentos, control del movimiento de los instrumentos con el fin de facilitar la ejecuci´on de estos, etc. En este sentido, la Universidad de M´alaga se encuentra desarrollando la plataforma experimental de teleoperaci´on CISOBOT [2] [7]. Este art´ıculo contribuye al desarrollo de esta plataforma con el dise˜no mecatr´onico de un instru- Figura 2: Instrumento motorizado con punta articulada. mento motorizado que permite mover la punta y el control del mismo mediante una consola de teleoperaci´on que emplea dispositivos h´apticos. 2 INSTRUMENTO MOTORIZADO El prototipo del instrumento motorizado con punta articulada utilizado es el representado en la Figura 2. Este instrumento ha sido dise˜nado y fabricado en colaboraci´on con la empresa PROSAIN S.L. El objetivo de esta herramienta es a˜nadir tres grados de libertad en la punta de un instrumento quir´urgico empleado para t´ecnicas SILS. Dicho instrumento consta de una pinza en el extremo, cuatro motores paso a paso y cuatro finales de carrera. De estos, tres motores van conectados a una controladora Trinamic TMCM-351, y el motor encargado de la apertura y cierre de la pinza va conectado a la controladora de Nanotec SMC42. A continuaci´on, se explica con detalle dichos componentes. 2.1 MOTORES PASO A PASO Los motores paso a paso se encargan de transmitir el movimiento a la punta articulada a trav´es de cables tensores distribuidos a lo largo de la varilla. Esto proporciona al instrumento tres grados de libertad del tipo Roll-Pitch-Yaw. Este tipo de motores avanzan girando a pasos fijos de 1,8o, sin embargo, al estar conectado a un sistema de poleas, el ´angulo por paso queda en 0,9o. Siguiendo la numeraci´on expuesta en la figura 2, el Motor 0 realiza el movimiento vertical de la punta, coincidiendo con la rotaci´on denominada Pitch, el Motor 1 realiza el movimiento horizontal, que se corresponde con la rotaci´on Yaw, y por ´ultimo, el Motor 2 se encarga del movimiento de la varilla del instrumento sobre su propio eje, coincidiendo con la rotaci´on denominada Roll. De este modo, se da (a) Motor 0 y 1 (b) Motor 2 (c) Motor 3 Figura 3: Motores paso a paso empleados en el instrumento motorizado. capacidad a la punta de moverse en las tres direcciones espaciales. Los tres motores, del fabricante Nanotec, son los mostrados en la figura 3a y 3b, y sus caracter´ısticas m´as relevantes se describen en las tablas 1 y 2. Tabla 1: Caracter´ısticas de los motores 0 y 1 Especificaci´on Motor 0 y 1 Modelo ST5918S2008-A Voltaje 3.0 V Corriente/Fase 2.0 A Par de mantenimiento 88 Ncm Peso 0.65 Kg Tabla 2: Caracter´ısticas del Motor 2 Especificaci´on Motor 2 Modelo ST2018M0804-A Voltaje 4.32 V Corriente/Fase 0.8 A Par de mantenimiento 3.00 Ncm Peso 0.08 Kg La funci´on de abrir y cerrar la pinza que se encuentra en el extremo del instrumento la lleva a cabo el cuarto motor (Figura 3c), denominado Motor 3 en la figura 2. El movimiento rotativo se convierte en un movimiento lineal por la tuerca de rosca integrada en el motor lineal paso a paso, comport´andose como un actuador lineal. En la tabla 3 se encuentran resumidas las principales caracter´ısticas de dicho motor. 2.2 CONTROLADORAS El esquema de conexiones realizado en la interfaz entre las controladoras y el instrumento motorizado se muestra en la figura 4. Para mayor claridad, se ha seguido el mismo c´odigo de colores de las conexiones en las placas reales. La controladora TMCM-351 (Figura 5a) se encarga de realizar el control en tiempo real de los motores paso a paso del instrumento. Este modelo es capaz de controlar precisamente tres motores. Seg´un la informaci´on del fabricante, para la ali- Figura 4: Esquema de conexionado entre las controladoras y los motores. Tabla 3: Caracter´ısticas del Motor 3 Especificaci´on Motor 3 Modelo LPV2515S0104-Tr3.5X1 Voltaje 5.0 V Corriente/fase 0.1 A Carrera 12 mm Peso 0.04 Kg (a) TMCM-351 (b) SMC42 Figura 5: Controladoras empleadas. mentaci´on ser´a necesaria una tensi´on continua de 24V, y una corriente m´axima de 2,8A por cada motor. Finalmente, la placa se comunica con el PC a trav´es de una conexi´on serie RS-232. El control del Motor 3 se lleva a cabo por medio de la controladora SMC42 de la empresa Nanotec, mostrada en la figura 5b. Sus caracter´ısticas principales son: voltaje de funcionamiento entre 21V y 37V a corriente continua y una capacidad de corriente m´axima de 2A por fase. Se encuentra conectada a la placa controladora TMCM-351, empleando las se˜nales Direction,Enable yClock para controlar el movimiento del motor 3. Cada paso se ejecuta mediante un flanco negativo en la entrada Clock. La se˜nal Direction especifica la direcci´on de rotaci´on del motor. Por ´ultimo, la se˜nal Enable desconecta la corriente de fase despu´es de recibir un flanco de subida y el motor no recibir´ıa corriente. La se˜nal de un flanco de bajada suministra el motor con corriente de nuevo. De esta forma, la se˜nal Enable debe estar a nivel bajo para realizar un movimiento del motor. Cada motor transmite el movimiento a la punta a trav´es de unos cables tensores en el interior de la varilla, lo cu´al provoca que la relaci´on entre el movimiento del motor y la posici´on de la punta no sea una relaci´on lineal. Por este motivo, se ha desarrollado un programa encargado de calibrar la relaci´on motor-instrumento. La inicializaci´on de los motores se realiza mediante el empleo de los cuatro finales de carrera instalados en el instrumento. Con ellos se obtienen las referencias del Motor 0 y el Motor 1 y se inicializa de manera que la punta quede recta. Adem´as, se configuran las variables Clock,Direction yEnable, necesarias para la controladora SMC42. La se˜nal Clock se configura inicialmente con un pulso de 10ms. La se˜nal Direction se configura en un inicio a nivel bajo, correspondiente al cierre de la pinza, y siendo nivel alto cuando se precise su apertura. Por ´ultimo, la se˜nal Enable se inicializa a nivel alto. Figura 6: Arquitectura de la plataforma CISOBOT. 3 ENTORNO DE TELEOPERACI ´ ON la figura 6 muestra la arquitectura del sistema de teleoperaci´on que se ha empleado en la plataforma CISOBOT. Esta arquitectura consta de un PC que emplea el software Simulink Desktop Realtime para ejecutar el programa de control. Este PC se comunica con tres sistemas: manipulador, instrumento motorizado y estaci´on de teleoperaci´on. Primero, el sistema del manipulador compuesto por un sensor de esfuerzos y un brazo rob´otico. El segundo, es el instrumento motorizado que incluye la propia herramienta y las dos controladoras encargadas de su movimiento. Por ´ultimo, el sistema de la estaci´on de teleoperaci´on est´a compuesto por un dispositivo h´aptico. Todas las comunicaciones entre los diferentes sistemas se realizan a trav´es de un interfaz UDP. La figura 7 se presenta la plataforma de teleoperaci´on CISOBOT con la integraci´on del instrumento motorizado. 3.1 MANIPULADOR El robot esclavo de este sistema teleoperado se trata de un brazo rob´otico modular de seis grados de libertad, dise˜nado por la empresa Robotnik Automation mostrado en la figura 7. Este robot est´a basado en m´odulos rotativos PowerCube de la marca Schunk que funcionan como controladores distribuidos. El env´ıo y lectura de las medidas del manipulador se llevan a cabo a trav´es de un programa desarrollado en LabVIEW e implantado en un ordenador embebido de tiempo real NI-PXI. Este programa se encarga de la inicializaci´on de los manipFigura 7: Plataforma CISOBOT dotada del instrumento motorizado. uladores, y del env´ıo de las referencias de velocidad o posici´on a las controladoras de cada articulaci´on del manipulador. De igual forma recibe las posiciones y velocidades de cada articulaci´on. En la zona de interfaz entre el efector final del manipulador Robotnik y el instrumento motorizado se encuentra un sensor de esfuerzos fabricado por la empresa ATI Industrial Automation, en particular el modelo Network Force/Torque Sensor System oNet F/T. El dipositivo de control del sensor (DSP) proporciona un interfaz UDP, que ha permitido que este sensor se conecte directamente con la aplicaci´on que se ejecuta en el PC. 3.2 DISPOSITIVO H ´ APTICO La estaci´on de teleoperaci´on est´a basada en una pantalla que muestra la imagen del interior del abdomen, as´ı como dos dispositivos h´apticos Phantom Omni. Estos dispositivo ofrecen hasta seis grados de libertad y proporciona retroalimentaci´on de fuerzas de hasta 3.3 N. La tabla 4 resume las caracter´ısticas principales del dispositivo h´aptico empleado. Tabla 4: Caracter´ısticas del dispositivo h´aptico Especificaci´on Descripci´on Espacio de trabajo 160 x 120 x 70 mm ´ Area de la base 168 x 203 mm Rigidez 1.26 N/mm Eje X 2.31 N/mm Eje Y 1.02 N/mm Eje Z El dispositivo h´aptico proprociona dos par´ametros Figura 8: Aritculaciones del dispositivo h´aptico Phantom Omni. Figura 9: Representaci´on de la orientaci´on del l´apiz del dispositivo h´aptico. denominados Joints yGimbals para conocer la posici´on y orientaci´on del l´apiz que permite realizar los movimientos. Como se puede ver en la figura 8, los tres primeros grados de libertad vienen dados por los denominados Joints, mientras que los tres siguientes son los denominados Gimbals. Estos ´ultimos ser´an los utilizados para el c´alculo de la orientaci´on. La orientaci´on del dispositivo h´aptico que se obtiene de dicho par´ametro se corresponden con Roll, Pitch, Yaw como se muestra en la Figura 9. Por otra parte, este dispositivo tambi´en consta de dos botones en el l´apiz. El primer bot´on se emplea para activar los movimientos, es decir, el maFigura 10: Ejemplo de medida de la posici´on angular en la punta de instrumento. nipulador y el instrumento se mover´an mientras se mantenga pulsado el primer bot´on. El segundo bot´on se emplea para accionar el motor encargado de abrir y cerrar la pinza. Con respecto a la comunicaci´ones, este dispositivo consta de interfaz IEEE-1394 FireWire con la que se conecta directamente al PC. Debido a las limitaciones al emplear el entorno Simulink, las comunicaciones entre el sistema de control en Simulink y la estaci´on de teleoperaci´on se llevan a cabo a trav´es de una aplicaci´on desarrollada que hace de pasarela entre el dispositivo h´aptico y el PC. Estas aplicaci´on se basa en la librer´ıa OpenHaptic, ofrecida por el fabricante. 4 EXPERIMENTOS En esta secci´on se detalla el experimento realizado sobre el prototipo del instrumento motorizado, el cu´al tiene como objetivo representar la relaci´on motor-instrumento como se ha explicado anteriormente. Para realizar este experimento se env´ıan consignas de ´angulos al motor. Empleando un transportador de ´angulos en la punta (Figura 10) se comprueba posici´on angular de la punta del instrumento. Este procedimiento se ha repetido cada 5◦en un rango de ´angulos entre -45◦y 45◦. Las figuras 11 y 12 muestran los resultados obtenidos. Como se puede apreciar, el comportamiento de la punta de instrumento es bastante lineal en los extremos, sin embargo, se puede apreciar una peque˜na zona muerta cuando el instrumento se mueve alrededor de los 0◦. 5 CONCLUSIONES Este art´ıculo ha presentado los nuevos desarrollos llevados a cabo en la plataforma experimental CISOBOT. En concreto, se ha ampliado esta plataforma a˜nadi´endole un instrumento motorizado capaz de mover su punta mediante teleoperaci´on. Los resultados muestran que la relaci´on de movimientos de los motores del instrumento no se corresponden directamente con el movimiento que se realiza en la punta. Por este motivo se ha realizado un experimento en el que se ha obtenido este relaci´on para cada uno de los motores empleados. Por ´ultimo, el instrumento ha quedado integrado en la plataforma CISOBOT. El siguiente paso es el desarrollo de algoritmos que permitan la realimentaci´on de fuerzas, as´ı como proporcionar guiado h´aptico al operador. Agradecimientos A la Universidad de M´alaga por el apoyo financiero del proyecto. -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Ángulos Motor 0 (º) -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Ángulos Instrumento (º) Ángulos enviados al Motor 0 vs Ángulos reales en instrumento Figura 11: Relaci´on entre la posici´on angular vertical del motor paso a paso (Motor 0) y la punta del instrumento. -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Ángulos Motor 1 (º) -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Ángulos Instrumento (º) Ángulos enviados al Motor 1 vs Ángulos reales en instrumento Figura 12: Relaci´on entre la posici´on angular horizontal del motor paso a paso (Motor 1) y la punta del instrumento. Referencias [1] Alzugaray L´opez, Ignacio, Teleoperaci´on de manipuladores rob´oticos, (2014) Universidad de M´alaga. [2] Bauzano, E., Estebanez, B., Garcia-Morales, I., Mu˜noz, V. F., (2011) Robot quir´urgico auto-guiado para cirug´ıa m´ınimamente invasiva en solitario. In Proc. Conf. RobotWorkshop, pp. 1-18. [3] Beasley, R. 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