• Proyecto General
  • Nuevas Herramientas para SILS
  • Planteamiento
  • Integración en un demostrador

Plataforma Integrada

Diseño de un sistema de cirugía integrada por computador en el ámbito de los mini-robots abdominales abarcando las fases preoperatorias y operatorias. Se proporciona al cirujano nuevas herramientas robóticas que facilitan su labor mediante una plataforma que le permite tanto especificar la misión de mini-robots cámara, iluminación y pinza, como actuar de forma colaborativa con él durante la intervención. Por otro lado, se emplea un brazo hiper-redundante capaz de adaptarse a las restricciones de espacio y un brazo robótico externo, que mediante un agarre magnético, podrá desplazarlo a través de la pared abdominal.

Motivación | Solución Global | Integración del Sistema | Mecanismos de Coordinación | Publicaciones y Patentes | Vídeos

Motivación

La cirugía mínimamente invasiva supuso la adquisición de nuevas destrezas por parte de los cirujanos y la creación de nuevas herramientas, lugar donde la robótica supuso una ayuda inestimable. La actual tendencia se dirige a la reducción de las incisiones que se practican en el cuerpo del paciente al mínimo. De este modo, aparecen las técnicas SILS (Single Incision Laparoscopic Surgery) y NOTES (Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery), donde se requieren una nueva generación de herramientas robóticas (ver Figura 1).

La presente propuesta pretende abordar el desarrollo de nuevas herramientas robóticas útiles para los dos tipos de técnicas nombradas anteriormente y que abarquen tanto el ámbito preoperatorio como el intraoperatorio. En concreto, se acometerá el diseño y desarrollo de una plataforma robótica capaz de situar en el interior de la cavidad abdominal un micro-robot dotado de sensores y herramientas quirúrgicas que trabaje de forma colaborativa con el cirujano (ver Figura 2). El sistema podrá programarse fuera de línea para establecer el plan maestro durante la intervención y de forma intraoperatoria mediante un interfase persona-máquina multi-modal. Por otro lado, el sistema robótico en sí, constará de dos brazos posicionadores y un micro robot, de suerte que los dos primeros, mediante el uso de campos magnéticos, desplazarán y ubicarán al tercero en el campo operatorio del interior del abdomen. Como configuración de uno de los brazos robóticos posicionadores, se ha considerado una estructura hiper-redundante que sostendrá en su extremo al micro-robot para introducirse en el interior de la cavidad abdominal. El micro-robot podrá desprenderse de la estructura hiper-redundante, y mediante el otro brazo posicionador, que tendrá una configuración estándar, se moverá desde el exterior de la pared abdominal mediante el uso de un campo magnético. El micro-robot podrá desplegar pequeños brazos en los que se ubicarán cámaras, sensores de tacto, fuentes de luz o pequeñas herramientas quirúrgicas.

Nuevas Herramientas para SILS                   Planteamiento
Figura 1                                                                                                     Figura 2

 

Solución Global

El problema fundamental de las técnicas SILS y NOTES consiste en una mayor dificultad de operación para el cirujano en lo referente a las acciones que realiza y la percepción de sus efectos. En este punto, la robótica encuentra su campo de actuación en aras de paliar esta dificultad, como ya lo ha hecho en la cirugía laparoscópica convencional. En este sentido, este proyecto se dirige hacia la articulación de un sistema de cirugía integrada por computador en el ámbito de los micro-robots abdominales y que abarca las fases preoperatorias e intraoeratorias. Se pretende proporcionar al cirujano nuevas herramientas robóticas que faciliten su labor mediante una plataforma que le permita tanto especificar la misión de un micro-robot, dotado de instrumental quirúrgico, como actuar de forma colaborativa con él durante la intervención. Como medio para situar en el interior de la cavidad abdominal el mencionado dispositivo, se empleará un brazo hiper-redundante, capaz de adaptarse a las restricciones de espacio y un brazo robótico externo, que mediante un agarre magnético, podrá desplazarlo a través de la pared abdominal.

En la Figura 3 se presenta un esquema de la plataforma robotizada propuesta en la presente memoria y que sigue las funcionalidades descritas en el párrafo anterior. En la parte izquierda aparece el cirujano que podrá utilizarla mediante un simulador y programador fuera de línea a través de la interfaz persona-máquina en tiempo preoperatorio para definir en que tareas específicas requerirá la ayuda del micro-robot abdominal, así como el tipo de acción que éste realizará (misión). Este simulador y programador fuera de línea se alimenta con las bases de datos de las intervenciones, los tipos de maniobras quirúrgicas consideradas y el modelo del paciente construido a partir de datos reales de éste. En tiempo de intervención, la interfaz persona-máquina proporciona al cirujano varios medios de comunicarse con la plataforma, como de manera háptica para el mini-robot pinza e información adicional en forma de realidad aumentada. Por otro lado, con la especificación de la misión de los mini-robots cámara e iluminación y las órdenes en línea que suministra el cirujano, el planificador global coordina la acción del posicionador hiper-redundante que porta en su extremo el mini-robot abdominal para situarlo en el campo operatorio, adaptándose a las restricciones de espacio de la tarea quirúrgica. Una vez situado, el mini-robot se desprende del posicionador y el brazo exterior lo ancla a la parte superior del peritoneo mediante el uso de un agarre magnético que actúa a través de la pared abdominal. Ahora, el mini-robot abdominal será capaz de realizar ciertas tareas de forma automática que asistan al cirujano durante la intervención. Asimismo, el planificador global encaminará la información sensorial suministrada por el mini-robot con el objeto de actualizar el modelo del paciente según las actuaciones realizadas. Finalmente, el supervisor comprueba que todo el sistema robótico se encuentra en su estado de funcionamiento normal y detecta situaciones anómalas para proporcionar un control tolerante a fallos.

De este modo, la presente propuesta de proyecto, por su alcance, se ha dividido en tres subproyectos. De forma general, en el primero de ellos se abordará el simulador fuera de línea y la interfaz persona-máquina (ver Proyecto Simulador e Interfaz). En el segundo, se incidirá en el diseño y construcción del posicionador hiper-redundante y en el tercero, el diseño y construcción de los mini-robots abdominales con los brazos robóticos exteriores (ver Sistema Robótico). En cuanto a la definición e implantación del planificador global, así como la del sistema supervisor, son cuestiones de carácter horizontal a los tres subproyectos.

Proyecto General
Figura 3

Integración del sistema

La plataforma se compone de tres máquinas de cómputo diferenciadas (ver Figura 4). Cada uno de ellas está dedicada a elementos diferentes del sistema:

  • El PC del simulador e interfaz, que trabaja bajo sistema Windows
  • El PC para controlar los elementos del Robot Pinza, que trabaja bajo sistema Linux
  • El PC encargado de manejar el Robot Cámara y la señal de vídeo, que trabaja bajo sistema Linux

El sistema ROS consiste en un conjunto de nodos, cada uno de los cuales ejecuta un proceso independiente y puede ser ejecutado en diferentes máquinas. Existe un nodo principal llamado “roscore” que se encarga de gestionar las comunicaciones entre todos los nodos y se sitúa en la máquina del robot cámara.

La integración del sistema se ha realizado en su mayor parte mediante ROS, excepto el software de la interfaz y del simulador que se ejecuta en un entorno Windows. Por ello, la comunicación entre estos programas y ROS requieren de dos protocolos intermedios compatibles con ambos sistemas: UDP (conectado en ROS a través del nodo interfaz_node) para el interfaz y VRPN (conectado con el nodo simulador_node) para el software de simulación.

Para el control de cada uno de los robots se han definido una serie de primitivas con las que manejar los elementos de cada sistema. En el caso del robot pinza, existen tres nodos manejados por un nodo principal llamado simulador_node:

  • El phantom_node gestiona el dispositivo háptico de forma que envía la información de posición/orientación para teleoperar el brazo, así como la activación de pulsadores de movimiento y apertura/cierre de la pinza al nodo simulador_node
  • El wam_node BRAZO_PINZA recibe la posición/orientación del dispositivo háptico traducida al sistema de referencia del robot a través del simulador_node.
  • Un nodo encargado para la actuación de los motores que manejan la apertura y cierre de la misma (dinamixel_node)

En el caso del mini-robot cámara, el movimiento de la misma se establece a partir del nodo interfaz_node, el cual implementa una serie de primitivas con movimientos elementales predeterminados (izquierda, derecha, delante, atrás…) que comandan al robot a través del wam_node BRAZO_CAMARA, así como la posibilidad de intercambiar la actuación entre el mini-robot cámara y el iluminación. Por otro lado, el arduino_node MOTOR ROBOT_CAMARA permite cambiar la orientación de la cámara con el actuador instalado en el efector final del robot. Por último, existe un nodo adicional denominado arduino_node GUSANO con el que se pueden comandar los movimientos básicos del robot gusano.

Integración en un demostradorFigura 4

Mecanismos de coordinación

Se ha utilizado una metodología para la ejecución del proyecto fundamentada en paquetes de trabajo, de manera que en el marco de cada uno de ellos se ha realizado una serie de tareas. De este modo, para la coordinación del proyecto se ha formado un comité de seguimiento, compuesto por los investigadores principales de cada subproyecto, que ha tenido como misión el análisis de los entregables generados para cuantificar el grado de consecución del objetivo asociado a cada paquete de trabajo. De esta forma, se han realizado acciones para la corrección de desviaciones en caso de que fuese necesario. Asimismo, se ha llevado a cabo un seguimiento más estrecho en aquellos paquetes de trabajo que considerados más críticos para la correcta evolución del proyecto. Estos paquetes críticos se han encontrado al comienzo y final del proyecto, por lo que en estas circunstancias ha sido necesaria una colaboración más estrecha entre investigadores de distintas universidades.

Por otro lado, se ha abordado la estandarización de toda la información que se ha generado como fruto de la ejecución del proyecto. En este aspecto, se han utilizado bases de datos compartidas como repositorio de documentos y sistemas de programación con control de versiones.

Publicaciones y patentes

  • Patentes:
    • “BRAZO TELEROBÓTICO DE CONFIGURACIÓN PARALELA PARA APLICACIONES DE CIRUGÍA MINIMA INVASIVA” José María Sabater Navarro, Eduardo Fernández Jover, Nicolás Garcia Aracil, Carlos Pérez Vidal, Jose Maria Azorin Poveda. ES 201001008 España 30/07/2010 Universidad Miguel Hernández.
    • “DISPOSITIVO ENDOSCÓPICO MAGNÉTICO”. Jesús Gómez de Gabriel, Victor F. Muñoz-Martínez, William Harwin. Fecha de prioridad 30 de noviembre de 2012, Titulares: Universidad de Málaga, Universidad de Reding.
    • “DISPOSITIVO ROBOTIZADO PARA LA INSPECCIÓN EN CONDUCTOS”. David de la Fuente Diez, Juan Carlos Fraile Marinero, Javier Pérez Turiel. Número de Publicación Internacional: WO 2011/ 083188 A1. ENTIDAD TITULAR:   Fundación CARTIF y David de la Fuente.

 

  • Publicaciones:
    • N. García, C. Perez, José M. Sabater-Navarro, R. Morales, F.J. Badesa, “Robust and cooperative image-based visual servoing system using redundant architecture” Sensors 2011, 11, 11885-11900, ISSN 1424-8220 Doi: 10.3390/s111211885  ISI Impact Factor (2010): 1.771.
    • J. R. Serracin, L. Puglisi, R. Saltaren, G. Ejarque, José M. Sabater-Navarro, R. Aracil, “Kinematic analysis of a novel 2-d.o.f. orientation device” Robotic and Autonomous Systems. ISSN: 0921-8890, Volumen: 60(6), pp: 852-861, 2012, Elsevier B.V., Netherlands 10.1016/j.robot.2012.01.010. ISI Impact Factor (2010): 1.313.
    • Ubeda, E. Iañez, J.M. Azorin, José M. Sabater-Navarro, E. Fernandez, “Classification method for BCIs based on the correlation of EEG maps” Neurocomputing. Print ISSN: 0925-2312. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.neucom.2012.08.040 Elsevier. ISI Impact Factor (2011): 1.595.
    • F.J. Badesa, R. Morales, N. García, José M. Sabater-Navarro, C. Perez, E. Fernandez. “Multimodal interfaces to improve therapeutic outcomes in robot-assisted rehabilitation” Transactions on Systems, Man and Cybernetics, part C: Applications and reviews. Issn: 1094-6977, Doi 10.1109/TSMCC.2012.2201938 Vol. 42, nº6, pp. 1152-1158, november 2012. ISI Impact Factor (2010): 2.089. Posición: Q1 (4/19)
    • C.8. M.L. Pinto, José M. Sabater-Navarro, J. Sofrony, N. Garcia, J.M. Azorin, C. Pérez “Sistema de entrenamiento para operaciones de reemplazo de rodilla”  Trauma. Volumen: 22 nº 3, pp:197-205, 2011  ISSN: 1888-6116, Fundación Mapfre,  Madrid.

 

  • Participación en congresos, conferencias o workshops
    • José M. Sabater-Navarro, N. Garcia, J. Rodriguez, R. Morales, F.J. Badesa, J.M. de Paco. “A simple and compact parallel robotic wrist for laparoscopy” Proc. Of 4th IEEE/RAS-EMBS Inter. Conf. On Biomedical Robotics and Biomechatronics BIOROB 2012 ISBN: 978-1-4577-1198-5 pp: 835-840, 2012, Rome. Italy
    • A. Ubeda, J.M. Azorin, N. García, José M. Sabater-Navarro, C. Perez “Brain-Machine interface based on EEG Mapping to control an assistive robotic arm” Proc. Of 4th IEEE/RAS-EMBS Inter. Conf. On Biomedical Robotics and Biomechatronics BIOROB 2012 ISBN: 978-1-4577-1198-5 pp: 1311-1315, 2012, Rome. Italy
    • A. Ubeda, E. Iañnez, J.M. Azorin, José M. Sabater-Navarro, N. García, C. Perez  “Interfaz multimodal basada en la combinación de información ocular, cerebral y haptica para el control de un brazo robot” XXXIII Jornadas de Automática, Vigo 2012, pp.47-52, ISBN:978-84-8158-583-4 Septiembre 2012, Vigo
    • A. Llinares, F.J. Badesa, R. Morales, N. García, José M. Sabater-Navarro, C. Perez,  J.M. Azorin, , “Estudio de la función sensorimotora mediante el dispositivo robótico PUPArm” XXXIII Jornadas de Automática, Vigo 2012, pp.97-104, ISBN:978-84-8158-583-4 Septiembre 2012, Vigo
    • I. Rivas-Blanco, P. del Saz-Orozco, I. García-Morales, V. F. Muñoz (2012) “Robotic System for Single Incision Laparoscopic Surgery”, 38th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Montreal (Canada), 25-28 de octubre de 2012.
    • I. Rivas-Blanco, P. del Saz-Orozco, I. García-Morales, V. F. Muñoz (2012) Sistema robótico para técnicas de cirugía de puerto único. XXXIII Jornadas de Automática. Vigo 2012
    • B. Estebanez, P. del Saz-Orozco, I. Rivas-Blanco, E. Bauzano, V.F. Muñoz, I.García-Morales. Maneuvers Recognition in Laparoscopic Surgery: Artificial Neural Network and Hidden Markov Model Approaches”, 4th International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. BIOROB 2012. Roma (Italia), 24-27 de junio de 2012
    • González J.L., Herreros A., Fraile J.C:, P. Turiel J., Fuente D., Alonso D., Gayubo F. Análisis del control cinemático de un robot endoscópico modular hiper-redundante con acionamiento electromagnético. Jornadas de Automática, Vigo 2012, pp.97-104, ISBN:978-84-8158-583-4 Septiembre 2012, Vigo
    • Mario Sáenz Espinoza, José Gonçalves, Paulo Leitão, José Luis González Sánchez, Alberto Herreros. Inverse Kinematics of a 10 DOF modular hyper-redundant robot resorting to exhaustive and error-optimization methods: A comparative study. LARS/SBR 2012. Octubre 2012. Brasil
    • Rodriguez-Guerrero, J.C. Fraile, J. Perez-Turiel, P. Rivera. Using Psychophysiological Feedback to Enhance Physical Human Robot Interaction in a Cooperative Scenario. Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. Roma, Italy. June 24-27, 2012
    • C. Rodriguez-Guerrero, EFTO (Equipo Fisioterapia y Terapia Ocupacional) del Hospital Beata María Ana,  P. Oliva Navarrete, J.C. Fraile, P. Rivera. Preliminary Results From the Use of the SOFTROBOT Platform in Stroke Patients. First International Conference on Neurorehabilitation, Toledo, Spain,  November, 14-16, 2012

 

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