RobinHeart.pl 2 - Budowa robota kardiochirurgicznego

2009-07-01 09:07

autor: dr Zbigniew Nawrat
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii

Robin Heart to nazwa rodziny kilku robotów, nad którymi pracuje Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii (FRK) z Zabrza od 2000 roku. Rezultatem prac multidyscyplinarnego zespołu jest skonstruowanie kilku modeli i prototypów różniących się m.in. koncepcją sterowania i pracy przy stole chirurgicznym. Roboty mają strukturę segmentową, umożliwiającą zestawienie sprzętu do różnych typów operacji.

Telemanipulatory chirurgiczne będą w najbliższych latach stanowić niezbędne wyposażenie do prowadzenia operacji mini-inwazyjnych, których gwałtowny rozwój związany jest ze zmniejszeniem kosztów samego zabiegu (w stosunku do konwencjonalnej operacji) i skróceniem czasu hospitalizacji bezpośrednio po operacji, a przede wszystkim ze zmniejszeniem liczby powikłań pooperacyjnych.

Robot kardiochirurgiczny jest manipulatorem kopiującym, telemanipulatorem, który składa się z dwóch lub więcej ramion narzędziowych i jednego trzymającego kamerę oraz układu zadawania ruchu wraz z układem sterowania. Układ mechaniczny realizuje czynności manipulacyjne za pomocą siłowników elektrycznych. Końcówka robocza przymocowanego do ramienia narzędzia wypełnia różne zadania (jako chwytak, nożyczki, nóż koagulujący). Struktura kinematyczna manipulatora składa się z ramienia (pozycjonowanie) oraz kiści (orientacja końcówki). Narzędzie wprowadzone jest do ciała pacjenta przez otwór (uzbrojony w specjalną pochewkę - port) o średnicy 5-10mm. Zasadą jest konstrukcja robota, która w sposób mechaniczny zachowuje stały punkt - miejsce przecięcia powłok ciała pacjenta - zachowujący się jako przegub kulowy. Stałopunktowość robota jest osiągana kinematycznie (da Vinci, Robin Heart), pasywnie (Zeus) lub aktywnie. Nadzór, sterowanie odbywa się głównie w oparciu o obserwację wzrokową za pomocą zadajników ruchu w konsoli sterowniczej operatora. Obrazowanie zabiegu prowadzone jest za pomocą stereowizyjnej (lub 2D) kamery endowizyjnej sterowanej głosem lub dłonią.

Funkcjonalność łańcucha kinematycznego telemanipulatora jest realizowana poprzez konstrukcję podwójnego czworoboku przegubowego oraz część napędową kiści robota, którą w modelu Robin Heart 1 stanowi pięć niezależnych serwonapędów z silnikami prądu stałego. Sposób przeniesienia napędu do stopni swobody końcówki roboczej narzędzia może być uzyskany poprzez napęd cięgnowy (da Vinci, Robin Heart 0,1) i popychaczowy (ZEUS), lub mieszany (rozwijana opcja kolejnych modelach Robin Heart). Z praktycznego punktu widzenia musi również umożliwiać jego wymianę i sterylność w czasie operacji.

Końcówki robocze telemanipulatorów chirurgicznych posiadają trzy stopnie swobody służące do orientacji w przestrzeni, czwarty odpowiada zwykle za otwieranie i zamykanie szczęk. W modelach Robin Heart 1 i3 narzędzia posiadają piąty stopień swobody, który zwiększa możliwości manewrowe, omijanie przeszkód lub pracę "do tyłu". Ramię robota, wykorzystane do pozycjonowania narzędzi i kamery wideo, posiada o wiele większą dokładność i stabilność niż ręka chirurga. W klasycznej operacji endoskopowej główny operator trzyma w obydwu dłoniach narzędzia laparoskopowe, a asystent trzyma kamerę od której położenia zależy prezentacja właściwego obrazu pola operacyjnego.

Zgodnie z przyjętym planem rozwoju pierwszy wdrożony będzie system sterowania kamerą endoskopową. Efektywniejsze, samodzielne sterowanie kamerą zwiększa komfort operatora i skraca czas operacji. W 2007 roku powstał robot o nazwie Robin Heart Vision. Jest to robot, który może być wykorzystany jako samodzielne ramię do sterowania położeniem toru endowizyjnego.

Opracowany telemanipulator, przeznaczony do pozycjonowania endoskopu w trakcie zabiegów chirurgicznych (możliwość zamocowania endoskopów wielu producentów) posiada następujące parametry:
> ramię o kinematyce sferycznej o 4 stopniach swobody i zakresach przemieszczeń 120°, 160°, 150 mm, oraz 340° odpowiednio;
> rozdzielczość pozycjonowania końcówki ramienia: nie gorsza niż 0,5 [mm].

Zgodnie z założeniami telemanipulator powinien posiadać minimum trzy stopnie swobody (dwa obrotowe + jeden liniowy), które umożliwiają osiągnięcie dowolnego punktu w przestrzeni roboczej. W ramach prowadzonych prac wprowadzono dodatkowy stopień swobody umożliwiający obrót endoskopu wokół własnej osi.

Opracowany i zaimplementowany układ sterowania realizuje funkcję mapowania ruchów operatora na ruch ramienia wykonawczego z opcja skalowania ruchu i zawiera elementy systemu bezpieczeństwa robota. System posiada strukturę rozproszoną, w której sterowniki poszczególnych napędów (EPOS Maxon) umieszczone są w ich bezpośrednim otoczeniu na ramieniu. Jednostka centralna systemu zrealizowana jest na specjalizowanym hybrydowym mikrokontrolerze wraz z procesorem sygnałowym DSP Microchip z odpowiednimi peryferiami komunikacyjnymi (CAN, USB, SPI, UART). Przyjęto tryb sterowania jednostkami napędowymi w zależności od typu narzędzia zadajnika Master jako pozycyjny lub prędkościowy. Rozwinięto infrastrukturę sprzętowo-programową systemu bezpieczeństwa telemanipulatora m.in. przez uruchomienie zabezpieczeń krańcowych (hardware'owo-software'ową), elektroniczny system sterowania pracą hamulców awaryjnych systemu, wprowadzenie procedury kalibracji, bazowania systemu oraz dodatkowy system bezpośredniego monitorowania temperatury jednostek napędowych wraz z progowymi alarmami dla użytkownika i serwisu.

W styczniu tego roku podano testom wszystkie posiadane roboty w eksperymencie na zwierzętach. Operację przeprowadzono na świniach w Centrum Medycyny Doświadczalnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach przy udziale znakomitych kardiochirurgów (Romuald Cichoń, Joanna Śliwka, Grzegorz Religa, Michał Zembala). W czasie eksperymentu wykonano z powodzeniem zadania chirurgiczne w przestrzeni brzucha: operację wycięcia pęcherzyka żółciowego oraz w przestrzeni klatki piersiowej i serca: elementy naprawy zastawek serca (ta operacja z krążeniem pozaustrojowym). Na późniejszy termin przesunięto natomiast planowaną operację wszczepienia by-passów. W ostatniej fazie eksperymentu sprawdzono skuteczność mechatronicznych narzędzi Robin Heart Uni System - które można montować na ramieniu robota (sterowanie z konsoli) lub trzymać w dłoni (sterowanie manualne).

Prace nad polskim robotem finansowane przez KBN i Fundację Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu prowadzone są od 2000 r. Projekt badawczy realizowany przez multidyscyplinarny zespół w kilku ośrodkach naukowych w Polsce obejmuje swoim zakresem opracowanie różnych strategii operacji, symulacje przebiegu operacji, opracowanie ergonomicznego stanowiska pracy chirurga, zaprojektowanie układu sterowania i konstrukcji mechanicznej manipulatora oraz wykonanie niezbędnych modeli i prototypu. Rezultatem prac jest system urządzeń, prototypów telemanipulatorów chirurgicznych o nazwie Robin Heart, przygotowujący się do wkroczenia na sale operacyjne.

Podziękowania:
Projekt robota Robin Heart był finansowany w ramach projektu badawczego KBN 8 T11E 001 18 oraz projektu zamawianego PW-004/ITE/02/2004 oraz przez Fundację Rozwoju Kardiochirurgii i wielu sponsorów z których wymienię tylko Vattenfall i PKO BP SA. Projekt Robin Heart Uni System jest realizowany w ramach projektu rozwojowego Nr R13 033 01. Autorzy dziękują wszystkim, którzy przyczynili się do prezentowanych osiągnięć. Wymienię tylko z szacunkiem moich mistrzów i kolegów poczynając od prof. Zbigniewa Religi (bez którego nie tylko tego projektu by nie było), prof Leszka Podsędkowskiego i jego łódzki zespół, dra Krzysztofa Mianowskiego z Warszawy oraz mój zabrzański zespół Pracowni Biocybernetyki poczynając od niezbędnego dra Pawła Kostki (Zbigniew Małota, Wojciech Dybka, Kamil Rohr, Wojciech Sadowski, Piotr Wojtaszczyk, Mariusz Jakubowski, Adam Klisowski) oraz znakomitych medyków prof. Romualda Cichonia oraz dorastającą w naszym kole naukowym a obecnie świetnego kardiochirurga - Joannę Śliwkę.

Dr Zbigniew Nawrat jest doktorem nauk medycznych, fizykiem z wykształcenia, następcą profesora Zbigniewa Religi na stanowisku dyrektora Instytutu Protez Serca Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu. Jest również adiunktem w Katedrze Kardiochirurgii i Transplantologii Śląskiego Uniwersytetu Medycznego, gdzie prowadzi jedyne w Polsce zajęcia z przedmiotu "Sztuczne narządy". Jest między innymi projektantem komór wspomagania serca POLVAD, które są wdrożone klinicznie w 1993r. Twórca i organizator konferencji BioMedTech Silesia (w marcu) i Roboty Medyczne (w grudniu), na które co roku zaprasza szerokie grono profesjonalistów i pasjonatów do Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii. Ojciec robota Robin Heart.

Osoby zainteresowane tematyką zapraszamy do stron internetowych www.frk.pl oraz www.robinheart.pl, gdzie są również do pobrania w formacie PDF trzy książki wydane ostatnio przez FRK.

------------
Zdjęcia na dole:

Zdjęcie nr 1 - Dr Zbigniew Nawrat pomiędzy ramionami robotów RobinHeart 0 oraz RobinHeart 1 (stan z roku 2003).
Zdjęcie nr 2 - Model rzeczywisty i model CAD końcówki manipulacyjnej robota Robin Heart
Zdjęcie nr 3 - Wirtualna sala operacyjna - model operacji na sercu za pomocą robotów Robin Heart
Zdjęcie nr 4 - Testy techniczne robota - pomiar drgań robota (współpraca z Politechniką Śląską)

Fotografie wykonał Mariusz Jakubowski, Pracownia Biocybernetyki FRK

Źródło: artykuł zamieszczony za zgodą autora; http://www.robinheart.pl