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WO2017220844A1 - Método de manejo de un sistema robótico para cirugía mínimamente invasiva - Google Patents

Método de manejo de un sistema robótico para cirugía mínimamente invasiva Download PDF

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WO2017220844A1
WO2017220844A1 PCT/ES2017/070456 ES2017070456W WO2017220844A1 WO 2017220844 A1 WO2017220844 A1 WO 2017220844A1 ES 2017070456 W ES2017070456 W ES 2017070456W WO 2017220844 A1 WO2017220844 A1 WO 2017220844A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
effector
minimally invasive
orientation
haptic device
fulcrum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/ES2017/070456
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Enrique Bauzano Núñez
Mª CARMEN LÓPEZ CASADO
Víctor Fernando MUÑOZ MARTÍNEZ
Carlos Jesús Pérez del Pulgar Mancebo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universidad de Malaga
Original Assignee
Universidad de Malaga
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidad de Malaga filed Critical Universidad de Malaga
Priority to EP17814810.2A priority Critical patent/EP3473202B1/en
Priority to ES17814810T priority patent/ES2877800T3/es
Publication of WO2017220844A1 publication Critical patent/WO2017220844A1/es
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Definitions

  • the present invention belongs to the sectors of surgery and robotics, specifically to the support systems for surgical practice, and more precisely to robotic systems specially designed as Surgical instruments.
  • Minimally invasive surgery consists in performing an intervention through a minimum number of small incisions to the patient, around 1-2 cm in length.
  • laparoscopic surgery is a minimally invasive type of surgery in which long cane-shaped tools are used to perform the surgical intervention.
  • the number of tools depends on the intervention but at least one of them should be able to transmit to the surgeon an image of the surgical field, and usually consists of an optician with a camera attached to the end external to the patient.
  • This surgical technique can be used in many interventions such as abdominal (cholecystectomy, nephrectomy, prostatectomy ...), intracranial (tumor resection %) or traumatology (arthroscopy, orthopedics ).
  • abdominal laparoscopic surgery it is necessary to create an abdominal vault by inserting an inert gas (usually carbon dioxide) to allow the mobility of laparoscopic tools, so that the gas is occluded inside the abdominal cavity by the use of special valves called trocars that are placed in the abdominal incisions and allow the passage of surgical tools.
  • an inert gas usually carbon dioxide
  • Laparoscopic surgery has a series of advantages for the patient such as the presence of smaller scars after the intervention and a much shorter postoperative recovery time than in open surgery.
  • laparoscopic surgery limits the surgeon's abilities with respect to those of an open intervention. Some examples are the loss of three-dimensional vision when viewing an image on a screen, the inversion of movements of the laparoscopic tools due to the restriction of movement inherent to the insertion point that is located in the incision or fulcrum point, as well as the loss of tactile sensation when the surgeon's fingers are not in direct contact with the patient.
  • robotic devices can have one or more manipulator arms according to the number of tools they are capable of manipulating, and can be classified into two main groups: robotic assistants and teleoperated robots.
  • Robotic assistants are able to perform specific tasks in the surgical field autonomously or through simple commands commanded by the surgeon through a control interface.
  • teleoperated robots the movements of the surgical robot or slave system correspond directly to the movements made by the surgeon (usually the hands) or master system, to improve the skills and precision of the surgeon with the laparoscopic tools, such so that the robot almost or completely lacks autonomous movement capabilities.
  • Robotic assistants have the advantage that they do not need direct human intervention except to command the orders desired by the surgeon, so that they behave like a human assistant to the surgeon for the purpose of the intervention.
  • the biggest drawback is that a robotic assistant is usually programmed to perform very specific tasks, so it cannot be used generically during an intervention as a human assistant.
  • the Spanish patent ES2298051 B2 presents a robotic assistant capable of handling the laparoscopic camera through voice commands given by the surgeon, with other features such as flexibility in positioning around the patient thanks to a motor system based on the structure wheels and the complete absence of cables since it can work with batteries.
  • the group of teleoperated robots As for the group of teleoperated robots, as previously mentioned, its purpose is to improve the surgeon's skills. For this, the main surgeon in the patient's surroundings is replaced by the surgical robot (slave system), so that the new location of the surgeon will consist of a platform called console (master system) from which you will have all the necessary tools to Control the surgical robot and carry out the intervention.
  • console master system
  • haptic devices The movement of the manipulator arm (s) that make up the surgical robot is controlled by the surgeon through special mechanical devices with positioning sensors called haptic devices or haptics, which are located in the console and are usually handled through from the surgeon's hands.
  • these haptic devices allow not only the handling of the surgical robot, but also can improve the precision of the movements of the laparoscopic tools by applying scale factors that reduce the displacement of the laparoscopic tools regarding the movement of the surgeon's hands.
  • the use of haptic devices is not the only means by which the surgeon can direct the movement of laparoscopic tools, for example in the international patent application WO201 1 125007A1 the use of an eye tracking system capable of guiding the camera is proposed. laparoscopic according to the direction in which the surgeon's gaze is directed.
  • Haptic devices may also include servo-actuating elements to apply reaction forces on the surgeon, so that the surgeon can perceive contact sensation of the laparoscopic tools that he is handling with the patient's internal tissue.
  • the surgical robot must have at least one force and / or torque measuring device for each manipulator arm with which the contact pressures between the laparoscopic tools and the patient's internal tissue or additional surgical instruments can be translated.
  • the contact force between the laparoscopic tool and the fulcrum point depends largely on the type of mechanism that performs the orientation movements of the laparoscopic tool handled by the surgical robot.
  • a passive actuation mechanism is used that limits the force exerted by the surgical tool on the abdominal skin but increases the uncertainty in the positioning due to the strike with the trocar.
  • a mechanism called a center of remote rotation is used, which mechanically transfers the center of rotation of the surgical tool to the fulcrum point, with which the problem of this method is reduced to initially calibrate the position of the center of remote rotation, so that if it changes during the intervention it will have to be calibrated again.
  • US2015359597A1 it is proposed to use a second manipulator arm to know the location of the fulcrum point, so that this second manipulator holds the surgical tool at its insertion point of the laparoscopic tool through its final effector in the patient
  • the state of the art has the following limitations: On the one hand, there are proposals that allow the surgeon to perceive the interaction of forces between the surgical tools and the patient, but they do not take into account the superposition of the forces exerted by the laparoscopic tool on the point of insertion and the manipulation of the patient's internal tissue. On the other hand, the proposals for the control of movements of the laparoscopic tools operated by a surgical robot depend on mechanisms that either cause a certain strike / inaccuracy in the positioning of the surgical tools, or require off-line recalibration, both when beginning of the intervention as before the displacement of the fulcrum point due to factors such as a possible displacement of the patient on the stretcher.
  • a control method of a remotely operated surgical robot that overcomes the drawbacks identified in conventional surgical robot control methods.
  • at least one robotic arm is controlled, so that a surgical tool coupled to the robotic arm moves or orientates correctly within the cavity defined by the incision made in the patient.
  • the forces applied by the surgical tool are fed back to a control unit or console, to provide sensory information to the surgeon who is remotely manipulating the surgical tool, thus helping the surgeon move the tool as if it were performing a direct manipulation on the patient.
  • a method of handling a robotic system for minimally invasive surgery comprising: a control console comprising at least one actuator device and a haptic device which in turn comprises one or more positioning sensors and servo actuators; and at least one robotic unit comprising: a manipulator arm, an effector disposed at the distal end of said manipulator arm, said effector being equipped with at least one force and torque sensor, at least one actuator, and a minimally invasive instrument coupled to said effector, where the distal end of said minimally invasive instrument is configured to enter a cavity of a patient's body through a fulcrum point.
  • the method comprises the steps of: planning a position and orientation of the effector based on a relative displacement of the haptic device, reference coordinates of the effector, coordinates of the effector according to a model of the robotic unit and an estimate of the fulcrum position; from the coordinates of the effector according to the model of the robotic unit and of the planned position and orientation of the effector, obtain some positions and articular speeds necessary so that each degree of freedom of the robotic unit moved by the actuator makes that, together , the following planned position and orientation of the effector is achieved; moving the effector by means of the at least one actuator in accordance with said joint positions and speeds; measuring at least one force and torque sensor coupled to the effector forces and torques exerted by the effector and by said minimally invasive instrument coupled thereto, when performing said movement; determine in what percentage of contribution the measurement of forces and pairs is due to the interaction with the fulcrum point or the interaction with the patient's internal tissue; re-estimate the position of the fulcrum, where that estimate is made from the
  • the coordinates of the effector according to the model of the robotic unit are obtained from an articular position of the model.
  • the relative displacement of the haptic device is obtained from the difference between an absolute position and torsion of the haptic device and a reference position and torsion.
  • this difference between an absolute position and torsion of the haptic device and a position and torsion of reference are applied scaling factors of position Kp and torsion K Y established by the surgeon to increase the precision of the movement, and a reduction factor K s related to the simulated reaction force.
  • the outer distance pa along the axis of the minimally invasive instrument at which the fulcrum point is located relative to the position of the effector according to that model of the robotic unit is estimated.
  • the estimation of the stiffness of the tissue in contact with the distal end of the minimally invasive instrument and calculation of a simulated reaction force is made from the contribution due to the interaction with the patient's internal tissue, of the coordinates of the effector according to the model of the robotic unit and the displacement of the haptic device made by the surgeon's hand.
  • the calculation of a simulated reaction force is made from the following expression:
  • IH! F H - ⁇ ( M P H - ⁇ H! P)
  • ⁇ H ⁇ FH represents the simulated force
  • KF is a scaling factor
  • Kj is the dynamic stiffness
  • ⁇ H ⁇ PH is the haptic position current
  • ⁇ H ⁇ PH ° is the last haptic position.
  • the method further comprises: from the position and orientation of the effector according to the model of the robotic unit, the planned position and orientation and the position and orientation of other robotic units, if any, verify that the position and orientation planned for the final effector of the robotic unit meet certain safety criteria, and restrict said position and orientation in case such criteria are not met.
  • the method further comprises: through an interface of the control console, selecting a minimally invasive instrument movement mode: a first mode in which the displacement of the haptic device is related to the displacement of the distal end of the minimally invasive instrument; or a second modality in which the displacement of the haptic device is related to the displacement of the effector of the manipulator arm, so that the pivot movements of a minimally invasive manual instrument through the haptic device are simulated.
  • any of the above steps is carried out if said actuator device is pressed or operated.
  • the actuator is a pedal.
  • a computer program product comprising instructions / computer program code for performing the method described above.
  • a computer-readable storage medium / medium that stores program code / instructions for performing the method described above.
  • the method is implemented in a system that allows remote manipulation of laparoscopic tools manipulated by a surgical robot (slave system) through an interface or console (master system) managed by a human user.
  • the master system includes at least one screen that allows viewing in real time the surgical field in two or three dimensions, an actuator device through which to activate or deactivate the handling of laparoscopic tools and two servo-actuated and sensed mechanical devices (haptics), which on the one hand they record the movements made by the user's hands to move and orient individual reference points determined by each haptic, and on the other hand they allow to transmit a force on the user's hands through the servo actuators in the user's hands.
  • haptics servo-actuated and sensed mechanical devices
  • the slave system can be integrated by one or several modules, each of which comprises independent servo-actuated and sensed devices (robots / manipulator arms), at whose distal ends a laparoscopic tool is coupled and whose function is based on reproducing the movements registered by its associated haptic device so that said laparoscopic tool moves synchronously with the user's hand.
  • the haptic device and the manipulator arm can be separated a certain distance from each other, and can communicate through the transmission of electrical signals by communications cable or wireless.
  • the relationship between the movements of the user's hand (haptic) and the movements of the laparoscopic tool (manipulator arm) can be established in two ways, at the user's choice.
  • the first is based on defining a translation / orientation of the haptic device as a translation / orientation of the distal end of the laparoscopic tool (for example, clamp), such that a Cartesian displacement of the user's hand corresponds to a Cartesian displacement of the distal end of the laparoscopic tool.
  • the second translates the translation / orientation of the haptic device into an equivalent translation / orientation of the proximal end of the laparoscopic tool, that is, the position / orientation of the end of the laparoscopic tool that is coupled to the manipulator.
  • the system allows fully adjustable movement scaling, so that for example a 1 cm offset in the haptic device results in a 1 mm offset in the manipulator device (1: 10 scale).
  • the pivot movements of the laparoscopic tool are made around the fulcrum, which introduces a ligature (two degrees of Cartesian freedom are lost in the movement) that prevents the free movement of the laparoscopic tool handled by the manipulator. Therefore, the manipulation system has an element that transparently translates geometrically the movements commanded by the user into pivot movements of the laparoscopic tool whose center is in the fulcrum.
  • Each manipulator arm of each surgical robot has a force and torque measuring device coupled on its final effector that allows obtaining a measurement of the forces and contact pairs between the laparoscopic tool and the patient, which can originate in two distinct areas : the fulcrum and the distal end.
  • the contact forces on the fulcrum are called reaction forces and appear when the pivot movements of the laparoscopic tool are made around a point that does not coincide with the fulcrum, while the contact forces on the distal end are called the forces of manipulation and appear when an interaction occurs between the laparoscopic tool and the patient's internal tissue.
  • Both components of the contact force can be produced simultaneously but the force and torque measurement device collects the measurement of the total sum of the contact forces, so the system incorporates an algorithm for the modeling of the contact forces capable of separate contributions to the measurement of reaction forces and handling forces.
  • the measurement of contact forces is used to actuate the haptic device to simulate the sensation on the user of pressure of the laparoscopic tool, maintaining the estimation of the fulcrum until the surgical tool stops exerting these contact forces of high magnitude.
  • reaction forces is used to accurately estimate the location of the fulcrum during the movement of the laparoscopic tool. Since the manipulator is a servo-activated device without mechanisms of passivation of forces and this displacements are made around the fulcrum, an incorrect location of this position can lead to injuries around the incision through which the laparoscopic tool is introduced into the patient. Therefore, the fulcrum is estimated through a balance of forces and reaction pairs. This estimate is processed by a control element that is responsible for correcting the positioning of the laparoscopic tool, so that it is always aligned with the fulcrum so that the force exerted on the patient at that point is minimal.
  • the manipulation of the patient's internal tissue by the laparoscopic tool can also be measured through the contribution of forces and manipulation pairs.
  • an algorithm for estimating the stiffness of the patient's internal tissues processes the contribution of the forces of manipulation (without taking into account the contribution of the reaction forces on the fulcrum point) to model a contact force such that it allows the user to perceive through the haptic device different degrees of stiffness of the internal tissue manipulated by the laparoscopic tools.
  • Each element that integrates the entire remote teleoperation system of the surgical robots through the console managed by the surgeon, whether physical devices or control algorithms, includes an additional layer of operational supervision whose mission is to analyze that all the elements they work right. Errors may occur locally in a control device or algorithm, or they may be the result of a bad interaction between several of the control devices or algorithms.
  • the supervisory layer considers all possible errors that may alter the normal operation of the remote teleoperation system of the surgical robots and assigns them a risk index, so that with a risk index under the supervisor, it will conveniently modify the operation of the / the control devices and / or algorithms involved in the error to be able to continue with the intervention, while with a high risk there will be a system arrest and manual removal of surgical robots by human assistants.
  • Figure 1 represents a schematic of a robotic surgical system suitable for implementing the method of the invention.
  • a surgical intervention is represented by a teleoperated system in which the surgical robot or slave element performs the surgical maneuvers on the patient, while the surgeon sends the movement commands remotely to the surgical robot through the console or master element.
  • Figure 2 represents a flow chart describing the relationships between the different elements of the system that the surgical robot controls from the console.
  • Figure 3 schematizes a robotic arm and a laparoscopic surgical tool coupled to its distal end and represents the proposed methodology for spherical navigation of laparoscopic tools according to a possible embodiment of the invention.
  • Figure 4 shows the interaction between the laparoscopic tool coupled to the surgical robot and the two main points of contact with the patient: the skin and the internal tissue, according to a possible embodiment of the invention.
  • Figure 5 shows a block diagram representing the control algorithm used to estimate the position of the fulcrum, in accordance with a possible embodiment of the invention.
  • Figure 6 shows a block diagram representing the control algorithm that is responsible for modeling the force perceived by the surgical robot to reproduce it in the haptic device managed by the surgeon, in accordance with a possible embodiment of the invention. Way (s) of carrying out the invention
  • Figure 1 shows a schematic of a robotic surgical system that implements the method of the invention.
  • Figure 1 represents a minimally invasive surgical intervention.
  • interventions in which minimally invasive surgery can be used are abdominal (cholecystectomy, nephrectomy, prostatectomy ...), intracranial (tumor resection %) or traumatology (arthroscopy, orthopedics ...), among others.
  • abdominal laparoscopic intervention has been represented, in which the surgeon 1 works on a console 4 from which he controls the movements of the surgical robot 8.
  • the surgical robot 8 is the one that operates the patient 2 prostrate on the stretcher of operations 3.
  • the console or interface 4 managed by a human user, acts as a master system.
  • the surgical robot 8 that manipulates the surgical tools 12 13 acts as a slave system.
  • the surgical robot 8 is formed by three robotic units 9. Each of them carries a robotic arm or manipulator arm.
  • the surgical robot 8 can be formed by more or less robotic units 9. Each robotic unit has at least 6 degrees of freedom.
  • the manipulator arm is explained in more detail in relation to Figures 3 and 4.
  • One of the robotic units is configured to carry an endoscope 12 with a laparoscopic camera 1 1 and the other or other robotic units are configured to carry a minimally invasive instrument (such as a laparoscopic surgical tool) 13 proper.
  • Each manipulator arm of each robotic unit has a sensor (force and torque measuring device) 10 coupled on its final effector that allows obtaining a measurement of the forces and contact pairs between the laparoscopic tool and the patient 2.
  • the robotic unit 9 which carries the endoscope 12 (and camera 1 1) also carries a sensor 10 like those mentioned, although it is not illustrated in Figure 1.
  • each robotic unit 9 is disposed near the stretcher 3 and the surgical staff guides the distal end of the manipulator arm (of each robotic unit 9) until the surgical tool 12 13 is introduced by a trocar that has been previously inserted through the skin of patient 2 through an incision. That is, minimally invasive instruments or surgical tools 12 13 are introduced through the incision, through the trocar, into the patient.
  • the manipulator arm is then ready for use in the surgical operation.
  • the master system includes, in addition to the control console 4, at least one screen 6 that allows to visualize in real time the surgical field in two or three dimensions thanks to the images taken by the camera 1 1 of the endoscope 12.
  • the master system includes also an actuator device, not illustrated in figure 1, by which the operation of surgical tools 12 can be activated or deactivated. 13.
  • the actuator device is implemented by one or more pedals.
  • the master system also includes two servo-actuated and sensed mechanical devices (haptics) 5, which on the one hand record the movements made by the user's hands to move and orient individual reference points determined by each haptic 5, and on the other hand allow transmitting a force on the hands of the user through the servo actuators in the hands of the user, so that the user can perceive the contact of the laparoscopic tools 13 with the patient 2.
  • haptics servo-actuated and sensed mechanical devices
  • Each robotic unit 9 of the slave system (surgical robot 8) comprises a robotic arm (that is, a servo-actuated and sensed device) independent (of other robotic arms of other robotic units 9), at whose distal end a surgical tool 12 is coupled.
  • the function of this tool is to reproduce the movements registered by an associated haptic device 5 so that said tool 12 13 moves synchronously with the user's hand.
  • the haptic device 5 and the manipulator arm associated therewith can be separated a certain distance from each other and can communicate through the transmission of electrical signals by communications cable or via wireless.
  • Each manipulator arm of each surgical unit 9 has a device (sensor) 10 for measuring forces and torques coupled on its end effector (distal end of the manipulator arm) that allows obtaining a measurement of the forces and contact pairs between the surgical tool and the patient, as described in detail below.
  • the surgeon 1 can see the surgical field through the screen 6, which receives the image of the laparoscopic camera 1 1.
  • the surgeon can move with his hands the haptic devices 5, a movement that is registered and sent to the robotic units 9. He can also send recorded voice commands through a microphone 7 to move the robotic unit 9 that holds the optics or endoscope 12
  • the movement of the robotic units 9 that hold the laparoscopic tools 13 and / or the endoscope 12 can produce force reactions in the patient that are measured with the respective force sensors 10.
  • the mode of movement of The robotic units 9 can be selected by the surgeon 1 according to two possible modalities: Mode “A” relates a displacement of the haptic devices 5 with a displacement of the distal end of the laparoscopic surgical tools 12 13, while the mode “ B "relates a displacement of the haptic devices 5 with a displacement of the proximal end of the tools laparoscopic 12 13.
  • FIG 2 shows the flow chart that follows a control algorithm (or set of control algorithms) of the system described in Figure 1 for communications between one of the haptic devices 5 and one of the robotic units 9, which in the Figure 2 is referred to as 23, according to a possible embodiment of the invention.
  • This set of control algorithms is executed in the robotic unit, except for the part related to the haptic device 15 and to the actuator 17, which is executed from the console or control unit 4 illustrated in Figure 1.
  • the algorithms are executed in computing or computer means comprising processing means, such as a microprocessor, processing unit, or any conventional alternative processing means, and conventional memory storage means.
  • the surgeon's hand 14 directs the movement of the haptic device 15, which is displaced and oriented 31 around the axis of the laparoscopic tool (minimally invasive instrument) by the surgeon's hand 14.
  • the haptic device 15 transmits 32 to the actuator device 17 position ⁇ H ⁇ PH and absolute YH torque of the haptic device 15, preferably by a signal filtered with a Butterworth low-pass filter order-1. Torsion is one of the three components of the orientation of the haptic device 15.
  • the actuator device 17 is preferably implemented by a pedal or clutch pedal configured to be operated by the surgeon's foot 16. The surgeon's foot 16 presses or releases the clutch pedal 17, sending the signal indicating the presence or absence of drive 33 to the drive device 17.
  • the homogeneous matrix is a mathematical term that describes a position and orientation of a Euclidean reference system referred to another base reference system in a 4x4 dimension matrix, so that the upper left submatrix of 3x3 dimension describes the orientation with respect to the base system, each column vector being one of the axes of the system, while the 3x1 vector on the right of the matrix corresponds to the Cartesian position with respect to the base system.
  • This feedback force FH 50 is parameterized by a value that indicates the minimum value of K S , a value ⁇ indicating for which feedback force FH 50 the value is produced maximum of K S and a c value that indicates how steep the slope of up / down of the K S is , whose mission is to decrease the speed of the surgical tool when it comes into contact with the patient's internal tissue
  • Figure 2 also includes a navigation model 19 comprising a planning algorithm of the next spherical position of the distal end of the surgical tool.
  • the navigation model 19 receives the relative displacement 38 of the haptic device 15, already scaled, the homogeneous matrix ⁇ B ⁇ T ⁇ ⁇ P 37 of the final effector 55 of the robotic arm with the position and orientation ( torsion) Cartesian reference at the time of pressing pedal 17, the homogeneous matrix with the modeled Cartesian position and orientation 45 of the robot (robot model 25) to calculate the next position of the distal end of the laparoscopic tool or minimally invasive instrument, and estimating the fulcrum position 48 provided by a fulcrum estimator 29 to obtain the next planned position 39 of the final effector 55 of the robotic arm.
  • the "robot model 25" is mentioned to be precise, we refer to the "robotic unit model 25", but sometimes, for simplicity, the term “robot” is used ".
  • Figure 3 represents the robotic arm or manipulator arm 52 of a robotic unit 9 (23 in Figure 2).
  • the manipulator arm 52 is making spherical movements around the fulcrum point 57 located on the skin of the patient 53.
  • the fulcrum point 57 is the insertion point in the patient of the surgical tool.
  • the fulcrum point is located in the incision made in the patient's skin.
  • Figure 3 illustrates the problem of spherical navigation solved by the navigation model 19.
  • a coordinate system ⁇ / ⁇ is defined on fulcrum point 57.
  • the axes of the coordinate system ⁇ / ⁇ remain parallel to those of a reference system ⁇ 6 ⁇ associated with base 54 of the unit robotics 9.
  • a reference system ⁇ R ⁇ associated with the end effector 55 of the manipulator arm 52 and a reference system ⁇ T ⁇ associated with the distal end of the laparoscopic tool 56 are also defined, both with their main steering axes parallel to each other. .
  • the location of the final effector 55 of the manipulator arm 52 with respect to the fulcrum point 57 is established through the spherical coordinates defined as orientation angle 58, altitude angle ⁇ 59, torque orientation and 60 around its own axis and distance outside p 61 o distance along the instruments that cover from the center of rotation of the final effector 55 to the fulcrum point 57.
  • the angles a and ⁇ can be obtained with the direct reading of the internal sensors of the robot, which cannot be occurs with the outer distance p.
  • the internal sensors of the robot are not the sensors 10 located in the end effector of the manipulator arm (see Figure 1), but that they are sensors assembled internally in the actuators of the motor of each robotic unit, to make measurements on their position , speed, etc. These internal sensors are outside the scope of the present invention.
  • the spherical navigation is established by the vector of spherical components (a, ⁇ , p, and), which can be obtained from the relationship between the homogeneous matrix ⁇ I ⁇ T ⁇ ⁇ expressed in Cartesian and spherical coordinates, which defines the position and Cartesian orientation of the final effector 55 of the manipulator arm 52 with respect to the fulcrum point 57.
  • This homogeneous matrix ⁇ I ⁇ T ⁇ ⁇ can be calculated from its relationship with the homogeneous matrix ⁇ B ⁇ T ⁇ of the final effector 55 of the manipulator arm 52 with respect to the base 54 and with the homogeneous matrix ⁇ B ⁇ T ⁇ i ⁇ of the fulcrum point 57 with respect to the base 54.
  • the homogeneous matrix ⁇ B ⁇ T ⁇ ⁇ of the final effector 55 of the manipulator arm 52 with respect to base 54, 45 is obtained by direct kinematics algorithm 26 (explained below, see Figure 2); the homogeneous matrix ⁇ B ⁇ T ⁇ i ⁇ of the fulcrum point 57 with respect to the base 54 is obtained 48 by the fulcrum estimator algorithm 29 (see Figure 2): cos to cos /? - without eos to without /? p eos a sin /? eos ⁇ - without ⁇ 0 "
  • the homogeneous matrix of the following position 1 'P'R and orientation ⁇ B ⁇ z' ⁇ R ⁇ of the axis of the laparoscopic tool 39 can be calculated from position ⁇ B ⁇ PR P and orientation ⁇ B ⁇ ZR P of the reference axis 37 of the final effector 55 of the robotic arm, of the length of the laparoscopic tool L and of the increase in displacement of the haptic device ⁇ ⁇ 38 according to the mode of movement established for the laparoscopic tool.
  • the geometric relationships are of the Cartesian type
  • the displacements of the device Haptic 15 correspond to spherical displacements ( ⁇ ', ⁇ ', p) of the proximal end of the laparoscopic tool with respect to the spherical reference positions (ar ", / 3 P , p p )
  • the geometric relationships are spherical:
  • the kinematic supervisor 20 represents an algorithm that verifies, from the current position and orientation 45 of the final effector of the robot model 25, the planned position and orientation 39 by the navigation model 19 and the position and orientation 41 of other robotic units 22, if any, that the planned position and orientation 39 for the final effector 55 of the robotic unit meet certain safety criteria, keeping the laparoscopic tool within a valid working area.
  • Some possible safety criteria are that the distal end of the surgical tool remains within the visible surgical field, or that the proximal end of the surgical tool (final effector 55 of the robotic unit 23) remains at a minimum distance from other robotic units , or that the surgical tool can perform spherical navigation within a subspace such that physical limits have to be met such as not introducing the final effector 55 of the robotic unit 23 beyond the fulcrum point 48 estimated by the estimator of fulcrum 29 so that the outer distance is zero, or that the spherical angle of altitude does not exceed 90 ° since the distal end of the surgical tool would attempt to leave the patient's skin.
  • the kinematic supervisor 20 limits the planned position and orientation 39 of the final effector 55 of the robotic unit 23 (planned by the navigation model 19) so that they do not advance outside the work area .
  • the inverse kinematics 21 represents an algorithm that receives the current position and orientation 45 of the final effector of the robot model (obtained by the direct kinematics algorithm 26, explained below) and the spherical coordinate vector of the next planned position and orientation 40 and restricted by the kinematic supervisor 20 of the final effector of the robotic unit 23, information that is converted into the articular positions and speeds 42 necessary for each degree of freedom of the robotic unit 23 moved by an actuator locate the next planned position and orientation 40 of the final effector of the robotic unit 23.
  • the actuators of the robotic unit 23 receive the joint positions and speeds 42 from the inverse kinematics algorithm 21. Joint positions and speeds 42 are processed by a gain-based position and speed control to ensure that the Cartesian path planning calculated by the navigation model is followed 19. The Cartesian path planning will reproduce the interaction between laparoscopic tools and patient 24 (interaction desired by the surgeon). As the output of the robotic unit 23, the positioning and speed sensors of the robotic unit itself measure 43 the joint position and speed parameters.
  • the model of the robot 25 represents an algorithm that calculates the dynamics of the actuators of the robotic unit 23 by means of a model of the real behavior of the actuators, so that before the same setpoint and velocity setpoints 42 desired for each actuator, obtained from the inverse kinematics 21, the positions and articular speeds 43 of the robotic unit 23 evolve in a similar way to the positions and articular speeds 44 in the robot model 25.
  • the function of the robot model 25 is to reduce instabilities caused by differences between the sampling frequency at which the status signals of the joint position and speed 43 of the robotic unit 23 in the slave system are updated and the sampling frequency at which both the status signal of the position of the haptic device is updated 15 as the status update 50 of the actuators of the haptic device 15, provided by the estimate or stiffness 30.
  • the robot model 25 receives the position and articular speed 43 of the robotic unit 23 to update its internal status variables at each sampling time established by the signals sent by the robotic unit 23.
  • Direct kinematics 26 represents an algorithm that transforms the articular position 44 of the robot model 25 into Cartesian coordinates 45, which are used by the navigation model 1 9 to know the Cartesian position of reference of the robotic unit 23 from the which calculates the planned position and orientation 39 (for example the spherical navigation path).
  • the force sensor 27 moves in solidarity with the final effector of the robotic unit 23, whereby its position and orientation are determined by the articular state 43 thereof.
  • the force sensor 27 includes algorithms to compensate both the gravitational pairs and the inertia exerted by the actuators and sensors integrated in the coupling device of the laparoscopic tool and the laparoscopic tool itself.
  • the measurement of the compensated forces and torques in the force sensor 27 is converted into an electric and filtered signal, preferably by a low-pass Butterworth filter order 1 (obtaining a filtered signal ⁇ R ⁇ F) so that 46 can be sent to console 4 through the communication channel between robotic unit 23 and console 4.
  • the interaction model 28 represents an algorithm that determines in what percentage of contribution the measurement of the compensated forces ⁇ R ⁇ F 46 is due to the interaction with the fulcrum ⁇ R ⁇ F
  • the contribution parameters are calculated from the following expression:
  • the parameter is subtracted from ⁇ to cancel the effect of the 1 'F 46 compensated force measurement on the interaction force with the patient's internal tissue 49 when the compensated force measurement ⁇ R ⁇ F 27 reports low values.
  • the parameter ⁇ adopts almost null values when the compensated force measurement ⁇ R ⁇ F 46 is high.
  • the parameter ⁇ indicates where the sigmoid maximum occurs, while c serves to increase or decrease the slope of the sigmoid up / down.
  • the fulcrum estimator 29 represents an algorithm that is responsible, on the one hand, for estimating the external distance pa along the axis of the laparoscopic tool at which the fulcrum point of the Cartesian position 45 is found (modeled by direct kinematics 26) of the final effector of the robotic unit 23.
  • This external distance is calculated by applying the equations of balance of forces and pairs of the signal with the measurement of the compensated forces and pairs due to the interaction with the fulcrum 47.
  • a This estimation of the external distance is added by a Cartesian displacement of the fulcrum in the direction perpendicular to the axis of the laparoscopic tool obtained from an impedance-based force control algorithm which uses the measurement of forces and torques as a feedback reference. compensated due to interaction with fulcrum 47, obtaining as a result the estimated Cartesian position of fulcrum 48.
  • the f Figure 5 details the algorithm of control used to estimate the position of the fulcrum 48.
  • the proposed method for obtaining the fulcrum point estimate 48 depends on the type of orientation mechanism of the laparoscopic tool installed in the final effector of the robotic unit.
  • this orientation mechanism of the laparoscopic tool (or minimally invasive instrument) is performed by direct actuation, and is discussed in more detail following the illustration in Figure 4. If the actual location of the fulcrum point ⁇ R ⁇ P
  • the outer distance p can be calculated using the following expression obtained from the equilibrium of pairs:
  • the gain K ⁇ is generally obtained from experimental tests in which the interaction force with the fulcrum F ⁇ 63 is measured for known ⁇ displacements. To this result, a gain C ⁇ ⁇ 1 is applied, the value of which is chosen to satisfy the rapid response criteria for a feedback loop and guarantee the stability of the control algorithm.
  • 57 is given by the sum of the elongation of the abdominal wall recorded by the measurement of the interaction force with the fulcrum 63 and the estimation of the external distance to the fulcrum obtained by balance of pairs and which is in the direction of the axis ⁇ R ⁇ z of the final effector 55 of the manipulator arm 52:
  • Figure 5 shows the control algorithm used to estimate the position of fulcrum 48 according to the procedure set forth above.
  • the outer distance p 67 is calculated from the expression [5]. That is, the outer distance p 67 is calculated from the current Cartesian orientation ⁇ R ⁇ z 45 from direct kinematics 26 and from the contribution of forces ⁇ R ⁇ F
  • the result 69 of this subtraction is weighted with the control gain C ⁇ 65, and the result of this weighting 70 is converted from a magnitude in forces to a magnitude in distances with the conversion factor K ⁇ 66.
  • the result of that conversion 71 is added with the vector for estimating the outer distance p ⁇ R ⁇ z 72 to finally obtain the Cartesian position ⁇ R ⁇ P
  • the stiffness estimator 30 represents an algorithm that is responsible for estimating dynamic the stiffness of the tissue in contact with the distal end of the tool by measuring compensated forces and pairs due to the interaction with the patient's internal tissue 49 (obtained by the interaction model 28), so that the relationship between the Strength and displacement interaction with the patient's internal tissue can be modeled with a linear system.
  • This estimation of the stiffness of the internal tissue of the patient is part of an algorithm of estimation by least squares, whose mission is to stabilize the value of the stiffness of the internal tissue with a delay as small as possible, with which the perception of contact of the surgeon's hands 14 through the haptic devices 15, between solid and soft objects.
  • a simulated reaction force 50 is calculated, proportional to the displacement 51 of the haptic device 15 performed by the hand of the surgeon 14 taking as reference the position of the haptic device 15 in which a measurement of the first time was detected. forces and pairs 49 due to the interaction with the patient's internal tissue 49. That simulated reaction force 50 is scaled to perceive contact in the surgeon's hands as a natural reaction, and subsequently sent to the actuators of the haptic device 15.
  • the Control algorithm of the stiffness estimator 30 of Figure 2 is detailed in Figure 6 and is responsible for modeling the force perceived by the robotic unit as a simulated force ⁇ H ⁇ FH 50 that acts in the opposite direction to the movement of the haptic device 15
  • This force is simulated by a model of the reaction of elastic-linear forces 73 with dynamic stiffness Kj, whose point of equilibrium starts of the last haptic position ⁇ H ⁇ PH ° and whose current haptic position is ⁇ H ⁇ PH 32.
  • the dynamic stiffness Kj is a variable parameter that allows to perceive different resistance in the haptic 15 depending on the material in contact with the laparoscopic tool. For this reason it is necessary to determine this magnitude based on measurements of forces ⁇ R ⁇ FT of interaction with the internal tissue 49 obtained from the real environment of the robotic unit 23 through the interaction model 28.
  • the dynamic stiffness r as a function of the current position of the distal end of the tool ⁇ R ⁇ PT 45 (note that from the homogeneous matrix that describes the position and orientation of the robot, both the vector of the current Cartesian orientation can be extracted ⁇ R ⁇ z as the current position of the distal end of the tool ⁇ R ⁇ PT) obtained from the direct kinematics 26 of the surgical robot and the distal position of the end of the tool at the time of contact ⁇ R ⁇ P T °:
  • the recurring least squares algorithm consists of the following steps:
  • K T (N + 1) K T (N) + ( ⁇ v - AP T (N) -K T (N)) ⁇
  • the described method takes into account, in that measurement of forces and torques between the surgical tools and the patient, what percentage of the measurement is due to the interaction with the fulcrum point and what percentage of the Measurement is due to the interaction with the patient's internal tissue.
  • the contact forces on the fulcrum appear when the pivot movements of the laparoscopic tool are made around a point that does not coincide with the fulcrum, that is, when an incorrect estimate of the insertion point occurs.
  • Each manipulator arm has a force control system that uses, on the one hand, the manipulation force to obtain an estimate of the stiffness of the patient's internal tissue with which to model a contact force with a hard or soft tissue that later the reaction force is fed back to the haptic interface and, on the other hand, the reaction force to obtain a better estimate of the position of the insertion point with which to minimize the magnitude of said force by planning trajectories of the laparoscopic tool around the point of real insertion
  • the described method estimates the position of the fulcrum point with the equation [7].
  • a control algorithm is applied ( Figure 5) that moves the tool laparoscopic robot so that it is aligned along the fulcrum, so that it minimizes the force exerted on the patient's abdominal wall.
  • this estimation of the fulcrum position is used to perform spherical navigation and that new movements of the laparoscopic tool are made around this point.
  • the described method allows selecting, through an interface of the control console (for example through a touch screen, a minimally invasive instrument movement mode: a first modality in the that the displacement of the haptic device is related to the displacement of the distal end of the minimally invasive instrument; or a second modality in which the displacement of the haptic device is related to the displacement of the effector of the manipulator arm (i.e. with the proximal end of the instrument minimally inv asive), so that the pivot movements of a minimally invasive manual instrument through the haptic device are simulated.
  • a minimally invasive instrument movement mode a first modality in the that the displacement of the haptic device is related to the displacement of the distal end of the minimally invasive instrument; or a second modality in which the displacement of the haptic device is related to the displacement of the effector of the manipulator arm (i.e. with the proximal end of the instrument minimally inv asive), so that the pivot movements of a minimally invasive manual instrument through
  • the word “comprises” and its variants should not be construed as excluding, that is, they do not exclude the possibility that what is described includes other elements, steps, etc.
  • the term “approximately” and the terms of its family should be understood as indicative values very close to those accompanying the aforementioned term. That is to say, a deviation should be accepted within the acceptable limits from an exact value, since the person skilled in the art will understand that said deviation from the indicated values is inevitable due to inaccuracies in the measurement, etc. The same applies to the terms “around” and “substantially.”
  • the invention is not limited to the specific embodiments that have been described but also covers, for example, the variants that can be made by the average person skilled in the art (for example, in terms of the choice of materials, dimensions , components, configuration, etc.), within what follows from the claims.

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Abstract

Método de manejo de un sistema robótico para cirugía mínimamente invasiva que comprende: planificar una posición y orientación de un efector a partir del desplazamiento de un dispositivo háptico, de coordenadas de referencia y modeladas del efector y de estimación de posición del fulcro; obtener posiciones y velocidades articulares para que la unidad robótica localice la siguiente posición y orientación del efector; mover el efector; medir fuerzas y pares ejercidos por dicho efector y por un instrumento mínimamente invasivo al realizar dicho movimiento; determinar la contribución de dicha medición debida a la interacción con el punto de fulcro y con el tejido interno; estimar la distancia exterior a que se encuentra el punto de fulcro respecto del efector modelado; estimar la rigidez del tejido en contacto con el instrumento y calcular una fuerza de reacción simulada; enviarla al dispositivo háptico y a su vez a la mano del cirujano.

Description

MÉTODO DE MANEJO DE UN SISTEMA ROBÓTICO PARA CIRUGÍA MÍNIMAMENTE INVASIVA Sector técnico La presente invención pertenece a los sectores de la cirugía y la robótica, concretamente al de los sistemas de apoyo a la práctica quirúrgica, y con mayor precisión a los sistemas robóticos especialmente diseñados como instrumentos quirúrgicos.
Técnica anterior
La cirugía mínimamente invasiva consiste en realizar una intervención a través de un número mínimo de pequeñas incisiones al paciente, en torno a los 1 -2 cm de longitud. Concretamente, la cirugía laparoscópica es un tipo de cirugía mínimamente invasiva en la que se utilizan herramientas con forma de caña larga para realizar la intervención quirúrgica. El número de herramientas depende de la intervención pero como mínimo una de ellas deberá ser capaz de transmitir al cirujano una imagen del campo quirúrgico, y usualmente consiste en una óptica con una cámara acoplada al extremo externo al paciente. Esta técnica quirúrgica se puede emplear en multitud de intervenciones como las abdominales (colecistectomía, nefrectomía, prostatectomía...), intracraneales (resección tumoral...) o de traumatología (artroscopia, ortopedias...). En el caso de la cirugía laparoscópica abdominal se requiere crear una bóveda abdominal mediante la inserción de un gas inerte (normalmente dióxido de carbono) para permitir la movilidad de las herramientas laparoscópicas, de manera que el gas queda ocluido en el interior de la cavidad abdominal por el uso de unas válvulas especiales denominadas trocares que se colocan en las incisiones abdominales y permiten el paso de las herramientas quirúrgicas.
La cirugía laparoscópica presenta una serie de ventajas para el paciente como la presencia de cicatrices más pequeñas tras la intervención y un tiempo de recuperación postoperatoria mucho menor que en cirugía abierta. Sin embargo, la cirugía laparoscópica limita las habilidades que posee el cirujano respecto a las de una intervención abierta. Algunos ejemplos son la pérdida de la visión tridimensional al visualizar una imagen en una pantalla, la inversión de movimientos de las herramientas laparoscópicas debido a la restricción al movimiento inherente al punto de inserción que se encuentra localizado en la incisión o punto de fulcro, así como la pérdida de sensación táctil al no estar los dedos del cirujano en contacto directo con el paciente.
Una solución que el estado de la técnica propone a estos problemas consiste en utilizar un dispositivo robótico como herramienta intermedia para el cirujano. Estos dispositivos robóticos pueden tener uno o varios brazos manipuladores según el número de herramientas que sean capaces de manipular, y se pueden clasificar en dos grupos principales: los asistentes robóticos y los robots teleoperados. Los asistentes robóticos son capaces de realizar tareas específicas en el campo quirúrgico de forma autónoma o bien a través de órdenes sencillas comandadas por el cirujano a través de una interfaz de control. Al contrario, en los robots teleoperados los movimientos del robot quirúrgico o sistema esclavo se corresponden directamente con los movimientos realizados por el cirujano (normalmente las manos) o sistema maestro, para mejorar así las habilidades y precisión del cirujano con las herramientas laparoscópicas, de tal forma que el robot carece casi o completamente de capacidades de movimiento autónomas.
Los asistentes robóticos tienen la ventaja de que no necesitan intervención humana directa salvo para comandar las órdenes deseadas por el cirujano, de manera que se comportan como un asistente humano al cirujano a efectos de la intervención. El mayor inconveniente es que un asistente robótico suele estar programado para realizar tareas muy concretas, por lo que no puede utilizarse de forma genérica durante una intervención como un asistente humano. Por ejemplo, la patente española ES2298051 B2 presenta un asistente robótico capaz de manejar la cámara laparoscópica mediante órdenes de voz dadas por el cirujano, con otras características como son la flexibilidad en el posicionamiento alrededor del paciente gracias a un sistema motriz de la estructura basado en ruedas y a la ausencia completa de cables ya que puede trabajar con baterías.
En cuanto al grupo de los robots teleoperados, como ya se ha comentado previamente, su finalidad consiste en mejorar las habilidades del cirujano. Para ello, se sustituye al cirujano principal en los alrededores del paciente por el robot quirúrgico (sistema esclavo), de manera que la nueva ubicación del cirujano consistirá en una plataforma denominada consola (sistema maestro) desde la que dispondrá de todas las herramientas necesarias para controlar el robot quirúrgico y llevar a cabo la intervención.
Desde la consola se pueden mejorar diversas habilidades del cirujano mediante el uso de dispositivos específicos. Desde el punto de vista de la visión, en la solicitud de patente estadounidense US20070276423A1 se propone el uso de un sistema de visión tridimensional mediante el uso de una óptica estereoscópica, la cual transmite cada una de las imágenes al ojo correspondiente mediante espejos.
El movimiento de el/los brazo/s manipuladores que componen el robot quirúrgico se controla por el cirujano a través de unos dispositivos mecánicos especiales con sensores de posicionamiento denominados dispositivos hápticos o haptics, los cuales se ubican en la consola y suelen ser manejados a través de las manos del cirujano. Como se especifica en la patente estadounidense US7025064B2, estos dispositivos hápticos permiten no sólo el manejo del robot quirúrgico, sino que también pueden mejorar la precisión de los movimientos de las herramientas laparoscópicas mediante la aplicación de factores de escala que reduzcan el desplazamiento de las herramientas laparoscópicas respecto al desplazamiento de las manos del cirujano. El uso de los dispositivos hápticos no es el único medio por el que el cirujano puede dirigir el movimiento de herramientas laparoscópicas, por ejemplo en la solicitud de patente internacional WO201 1 125007A1 se propone el uso de un sistema de seguimiento ocular capaz de guiar la cámara laparoscópica según la dirección a la que se dirige la mirada del cirujano.
Los dispositivos hápticos pueden incluir también elementos servoactuadores para aplicar fuerzas de reacción sobre el cirujano, de manera que éste pueda percibir sensación de contacto de las herramientas laparoscópicas que esté manejando con el tejido interno del paciente. Para ello, el robot quirúrgico deberá disponer de al menos un dispositivo de medición de fuerzas y/o pares por cada brazo manipulador con el que se puedan traducir las presiones de contacto entre las herramientas laparoscópicas y el tejido interno del paciente o instrumental quirúrgico adicional. Por ejemplo, en la solicitud de patente estadounidense US2013012930A1 se propone enviar estas mediciones en forma de señal eléctrica a los servoactuadores acoplados en los dispositivos hápticos mediante un sistema de control de comunicaciones que deberá cumplir una serie de requisitos específicos para garantizar la estabilidad de la interacción entre el sistema esclavo (robot quirúrgico) y el sistema maestro (consola), lo que se conoce como realimentación de fuerzas hápticas. Esta realimentación de las fuerzas de interacción entre el robot quirúrgico y el tejido interno del paciente no tiene por qué ser únicamente de presión, sino que existen otras propuestas, como la de la solicitud de patente estadounidense US2014005682A1 , que permiten la realimentación de sensaciones táctiles, como la rugosidad de una superficie, mediante el uso de herramientas quirúrgicas ultrasónicas.
Uno de los principales problemas de la realimentación de las fuerzas hápticas en un robot quirúrgico no considerado en US2013012930A1 ni en US2014005682A1 reside en que normalmente existen dos zonas de contacto entre la herramienta laparoscópica manejada por el robot quirúrgico y el paciente: la zona abdominal sobre la que se realiza la incisión (en adelante punto de fulcro) y la zona de tejido interno que el cirujano desea manipular. Por ello, para una correcta percepción táctil del campo quirúrgico se debería separar la contribución de ambas interacciones de la medición del dispositivo de medición de fuerzas y/o pares.
La fuerza de contacto entre la herramienta laparoscópica y el punto de fulcro depende en gran medida del tipo de mecanismo que realiza los movimientos de orientación de la herramienta laparoscópica manejada por el robot quirúrgico. Por ejemplo, en los ya citados documentos US7025064B2 y ES2298051 B2 se utiliza un mecanismo de actuación pasivo que limita la fuerza ejercida por la herramienta quirúrgica sobre la piel abdominal pero aumenta la incertidumbre en el posicionamiento debida al huelgo con el trocar. En la ya citada US20070276423A1 se utiliza un mecanismo denominado de centro de rotación remoto, que traslada de forma mecánica el centro de rotación de la herramienta quirúrgica al punto de fulcro, con lo que el problema de este método se reduce a calibrar inicialmente la posición del centro de rotación remoto, de tal manera que si éste cambia durante la intervención habrá que volver a calibrarlo. En la solicitud de patente estadounidense US2015359597A1 se propone el uso de un segundo brazo manipulador para conocer la localización del punto de fulcro, de manera que este segundo manipulador sostiene a través de su efector final la herramienta quirúrgica en el punto de inserción de la herramienta laparoscópica en el paciente.
Resumiendo, el estado de la técnica presenta las siguientes limitaciones: Por una parte, existen propuestas que permiten percibir al cirujano la interacción de fuerzas entre las herramientas quirúrgicas y el paciente, pero en ellas no se tiene en cuenta la superposición de las fuerzas ejercidas por la herramienta laparoscópica sobre el punto de inserción y las de manipulación del tejido interno del paciente. Por otra parte, las propuestas de control de movimientos de las herramientas laparoscópicas manejadas por un robot quirúrgico dependen de mecanismos que, o bien producen cierto huelgo/imprecisión en el posicionamiento de las herramientas quirúrgicas, o bien requieren de recalibración fuera de línea, tanto al comienzo de la intervención como ante el desplazamiento del punto de fulcro debido a factores como un posible desplazamiento del paciente en la camilla. Por último, las propuestas de robots quirúrgicos presentadas sólo permiten un tipo de correspondencia entre el desplazamiento de los dispositivos hápticos y de las herramientas laparoscópicas, de manera que la posición del efector final del dispositivo háptico únicamente puede corresponderse con la posición del extremo distal de la herramienta laparoscópica manejada por el robot quirúrgico. Divulgación de la invención
En un primer aspecto de la invención, se proporciona un método de control de un robot quirúrgico operado de forma remota que supera los inconvenientes identificados en métodos de control de robots quirúrgicos convencionales. En particular, se controla al menos un brazo robótico, de forma que una herramienta quirúrgica acoplada al brazo robótico se mueve u orienta correctamente dentro de la cavidad definida por la incisión realizada en el paciente. Además, las fuerzas aplicadas por la herramienta quirúrgica se realimentan a una unidad o consola de control, para proporcionar información sensorial al cirujano que está remotamente manipulando la herramienta quirúrgica, ayudando así al cirujano a mover la herramienta como si estuviese realizando una manipulación directa sobre el paciente.
De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un método de manejo de un sistema robótico para cirugía mínimamente invasiva, donde el sistema robótico comprende: una consola de control que comprende al menos un dispositivo accionador y un dispositivo háptico que a su vez comprende uno o más sensores de posicionamiento y servoactuadores; y al menos una unidad robótica que comprende: un brazo manipulador, un efector dispuesto en el extremo distal de dicho brazo manipulador, estando dicho efector equipado con al menos un sensor de fuerzas y pares, al menos un actuador, y un instrumento mínimamente invasivo acoplado a dicho efector, donde el extremo distal de dicho instrumento mínimamente invasivo está configurado para introducirse en una cavidad del cuerpo de un paciente a través de un punto de fulcro. El método comprende las etapas de: planificar una posición y orientación del efector a partir de un desplazamiento relativo del dispositivo háptico, de unas coordenadas de referencia del efector, de unas coordenadas del efector según un modelo de la unidad robótica y de una estimación de la posición del fulcro; a partir de las coordenadas del efector según el modelo de la unidad robótica y de la posición y orientación planificadas del efector, obtener unas posiciones y velocidades articulares necesarias para que cada grado de libertad de la unidad robótica movido por el actuador haga que, en conjunto, se alcance la siguiente posición y orientación planificadas del efector; mover el efector por medio del al menos un actuador de acuerdo con dichas posiciones y velocidades articulares; medir mediante el al menos un sensor de fuerzas y pares acoplado al efector unas fuerzas y pares ejercidos por el efector y por dicho instrumento mínimamente invasivo acoplado al mismo, al realizar dicho movimiento; determinar en qué porcentaje de contribución la medición de fuerzas y pares es debida a la interacción con el punto de fulcro o a la interacción con el tejido interno del paciente; volver a estimar la posición del fulcro, donde esa estimación se realiza a partir de la contribución debida a la interacción con el punto de fulcro y de las coordenadas del efector según el modelo de la unidad robótica; estimar la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal del instrumento mínimamente invasivo y calcular una fuerza de reacción simulada; enviar esta fuerza de reacción simulada al al menos un servoactuador del dispositivo háptico para que le sea proporcionada a la mano del cirujano.
En una posible realización, las coordenadas del efector según el modelo de la unidad robótica se obtienen a partir de una posición articular del modelo.
En una posible realización, el desplazamiento relativo del dispositivo háptico se obtiene a partir de la diferencia entre una posición y torsión absolutas del dispositivo háptico y una posición y torsión de referencia. En una realización más particular, a esa diferencia entre una posición y torsión absolutas del dispositivo háptico y una posición y torsión de referencia se le aplican factores de escalado de posición Kp y torsión KY establecidos por el cirujano para aumentar la precisión del movimiento, y un factor de reducción Ks relacionado con la fuerza de reacción simulada. En una posible realización, para realizar la estimación del fulcro, se estima la distancia exterior p a lo largo del eje del instrumento mínimamente invasivo a la que se encuentra el punto de fulcro con respecto a la posición del efector según ese modelo de la unidad robótica.
En una posible realización, la estimación de la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal del instrumento mínimamente invasivo y cálculo de una fuerza de reacción simulada se realiza a partir de la contribución debida a la interacción con el tejido interno del paciente, de las coordenadas del efector según el modelo de la unidad robótica y del desplazamiento del dispositivo háptico realizado por la mano del cirujano.
En una posible realización, el cálculo de una fuerza de reacción simulada se realiza a partir de la siguiente expresión:
ÍH!FH = -^ (MPH-ÍH!P ) donde {H}FH representa la fuerza simulada, KF es un factor de escalado, con KF < 1 , Kj es la rigidez dinámica, {H}PH es la posición háptica actual y {H}PH° es la última posición háptica.
En una posible realización, el método comprende además: a partir de la posición y orientación del efector según el modelo de la unidad robótica, de la posición y orientación planificadas y de la posición y orientación de otras unidades robóticas, si las hubiera, verificar que la posición y orientación planificadas para el efector final de la unidad robótica cumplen unos criterios de seguridad, y restringir dicha posición y orientación en caso de que no se cumplan dichos criterios.
En una posible realización, el método comprende además: a través de una interfaz de la consola de control, seleccionar una modalidad de movimiento del instrumento mínimamente invasivo: una primera modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo háptico con el desplazamiento del extremo distal del instrumento mínimamente invasivo; o una segunda modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo háptico con el desplazamiento del efector del brazo manipulador, de manera que se simulan los movimientos de pivote de un instrumento mínimamente invasivo manual a través del dispositivo háptico.
En una posible realización, cualquiera de las etapas anteriores se lleva a cabo si dicho dispositivo accionador está pulsado o accionado.
En una realización preferente, el dispositivo accionador es un pedal.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un producto de programa informático que comprende instrucciones/código de programa informático para realizar el método descrito anteriormente.
De acuerdo con un último aspecto de la invención, se proporciona un soporte /medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena código / instrucciones de programa para realizar el método descrito anteriormente. El método se implementa en un sistema que permite la manipulación remota de herramientas laparoscópicas manipuladas por un robot quirúrgico (sistema esclavo) a través de una interfaz o consola (sistema maestro) manejada por un usuario humano. El sistema maestro incluye al menos una pantalla que permite visualizar en tiempo real el campo quirúrgico en dos o tres dimensiones, un dispositivo accionador mediante el cual activar o desactivar el manejo de las herramientas laparoscópicas y dos dispositivos mecánicos servoactuados y sensorizados (haptics), que por un lado registran los movimientos realizados por las manos del usuario para desplazar y orientar sendos puntos de referencia determinados por cada haptic, y por otro lado permiten transmitir una fuerza sobre las manos del usuario a través de los servoactuadores en las manos del usuario. El sistema esclavo puede estar integrado por uno o varios módulos, cada uno de los cuales comprende dispositivos servoactuados y sensorizados independientes (robots/brazos manipuladores), en cuyos extremos distales se acopla una herramienta laparoscópica y cuya función se basa en reproducir los movimientos registrados por su dispositivo háptico asociado para que dicha herramienta laparoscópica se desplace de forma sincronizada con la mano del usuario. El dispositivo háptico y el brazo manipulador pueden estar separados una cierta distancia entre sí, y se pueden comunicar a través de la transmisión de señales eléctricas por cable de comunicaciones o vía inalámbrica.
La relación existente entre los movimientos de la mano del usuario (haptic) y los movimientos de la herramienta laparoscópica (brazo manipulador) puede establecerse de dos maneras, a elección del usuario. La primera se basa en definir una traslación/orientación del dispositivo háptico como una traslación/orientación del extremo distal de la herramienta laparoscópica (por ejemplo, pinza), de tal manera que un desplazamiento cartesiano de la mano del usuario corresponde a un desplazamiento cartesiano del extremo distal de la herramienta laparoscópica. La segunda traduce la traslación/orientación del dispositivo háptico en una traslación/orientación equivalente del extremo proximal de la herramienta laparoscópica, esto es, la posición/orientación del extremo de la herramienta laparoscópica que se encuentra acoplado al manipulador. A su vez, el sistema permite un escalado de movimientos totalmente regulable, de manera que por ejemplo un desplazamiento de 1 cm en el dispositivo háptico se traduzca en un desplazamiento de 1 mm en el dispositivo manipulador (escala 1 :10).
Los movimientos de pivote de la herramienta laparoscópica se realizan alrededor del fulcro, el cual introduce una ligadura (se pierden dos grados de libertad cartesianos en el movimiento) que impide el desplazamiento libre de la herramienta laparoscópica manejada por el manipulador. Por ello, el sistema de manipulación dispone de un elemento que de forma transparente traduce geométricamente los movimientos comandados por el usuario en movimientos de pivote de la herramienta laparoscópica cuyo centro se encuentra en el fulcro.
Cada brazo manipulador de cada robot quirúrgico dispone de un dispositivo de medición de fuerzas y pares acoplado sobre su efector final que permite obtener una medición de las fuerzas y pares de contacto entre la herramienta laparoscópica y el paciente, que pueden originarse en dos zonas bien diferenciadas: el fulcro y el extremo distal. Las fuerzas de contacto sobre el fulcro se denominan fuerzas de reacción y aparecen cuando los movimientos de pivote de la herramienta laparoscópica se realizan alrededor de un punto que no coincide con el fulcro, mientras que las fuerzas de contacto sobre el extremo distal se denominan fuerzas de manipulación y aparecen cuando se produce una interacción entre la herramienta laparoscópica y el tejido interno del paciente. Ambas componentes de la fuerza de contacto pueden producirse simultáneamente pero el dispositivo de medición de fuerzas y pares recopila la medición de la suma total de las fuerzas de contacto, por lo que el sistema incorpora un algoritmo para el modelado de las fuerzas de contacto capaz de separar las contribuciones a la medición de las fuerzas de reacción y las fuerzas de manipulación. Así, con una magnitud baja en la medición de fuerzas de contacto se considera que la interacción relevante se produce en el fulcro, en cuyo caso no se transmite ninguna orden para actuar el dispositivo háptico y la medición de fuerzas de contacto se emplea por completo en estimar la posición del fulcro. Por el contrario, con una magnitud elevada en la medición de fuerzas de contacto se interpreta que la interacción relevante viene dada por la actuación del extremo distal de la herramienta laparoscópica sobre el paciente. En este caso la medición de fuerzas de contacto se emplea en actuar el dispositivo háptico para simular la sensación sobre el usuario de presión de la herramienta laparoscópica, manteniendo la estimación del fulcro hasta que la herramienta quirúrgica deje de ejercer estas fuerzas de contacto de elevada magnitud.
La contribución de las fuerzas de reacción se utiliza para estimar de forma precisa la localización del fulcro durante el desplazamiento de la herramienta laparoscópica. Al ser el manipulador un dispositivo servoactuado sin mecanismos de pasivación de fuerzas y realizar este desplazamientos alrededor del fulcro, una localización incorrecta de esta posición puede dar lugar a lesiones en los alrededores de la incisión a través de la que se introduce la herramienta laparoscópica en el paciente. Por ello, la estimación del fulcro se realiza a través de un equilibrio de fuerzas y pares de reacción. Esta estimación es procesada por un elemento de control que se encarga de corregir el posicionamiento de la herramienta laparoscópica, de tal forma que ésta se encuentre siempre alineada con el fulcro para que así la fuerza ejercida sobre el paciente en dicho punto sea mínima.
Durante una intervención quirúrgica, la manipulación del tejido interno del paciente realizada por la herramienta laparoscópica también puede medirse a través de la contribución de fuerzas y pares de manipulación. Para que el usuario pueda tener sensaciones de presión similares a las que tendría si manipulara de forma directa la herramienta laparoscópica (sin mediación del robot quirúrgico), un algoritmo de estimación de la rigidez de los tejidos internos del paciente procesa la contribución de las fuerzas de manipulación (sin tener en cuenta la contribución de las fuerzas de reacción sobre el punto de fulcro) para modelar una fuerza de contacto tal que permita al usuario percibir a través del dispositivo háptico distintos grados de rigidez del tejido interno manipulado por las herramientas laparoscópicas. Estas mediciones se utilizan en los actuadores del dispositivo háptico de tal manera que lo desplazan en sentido opuesto al movimiento, creando una sensación de presión sobre la mano del usuario.
Cada elemento que integra todo el sistema de teleoperación remota de los robots quirúrgicos a través de la consola manejada por el cirujano, ya sean dispositivos físicos o algoritmos de control, incluyen una capa adicional de supervisión de funcionamiento cuya misión es en analizar que todos los elementos funcionan correctamente. Los errores pueden producirse a nivel local en un dispositivo o algoritmo de control, o bien pueden ser resultado de una mala interacción entre varios de los dispositivos o algoritmos de control. La capa de supervisión considera todos los errores posibles que puedan alterar el normal funcionamiento del sistema de teleoperación remota de los robots quirúrgicos y les asigna un índice de riesgo, de manera que con un índice de riesgo bajo el supervisor modificará de manera conveniente el funcionamiento de el/los dispositivos y/o algoritmos de control involucrados en el error para poder continuar con la intervención, mientras que con un riesgo alto se producirá la detención del sistema y extracción manual de los robots quirúrgicos por parte de los asistentes humanos.
Otras ventajas y características de la invención resultarán aparentes a la vista de la descripción que se presenta a continuación.
Breve descripción de los dibujos Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de figuras en el que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La Figura 1 representa un esquema de un sistema robótico quirúrgico adecuado para implementar el método de la invención. Se representa una intervención quirúrgica mediante un sistema teleoperado en el que el robot quirúrgico o elemento esclavo realiza las maniobras quirúrgicas sobre el paciente, mientras que el cirujano envía los comandos de movimiento de forma remota al robot quirúrgico a través de la consola o elemento maestro.
La Figura 2 representa un diagrama de flujos que describe las relaciones entre los distintos elementos del sistema que controla el robot quirúrgico desde la consola.
La Figura 3 esquematiza un brazo robótico y una herramienta quirúrgica laparoscópica acoplada a su extremo distal y representa la metodología propuesta para realizar la navegación esférica de las herramientas laparoscópicas de acuerdo con una posible realización de la invención. La Figura 4 muestra la interacción entre la herramienta laparoscópica acoplada al robot quirúrgico y los dos puntos principales de contacto con el paciente: la piel y el tejido interno, de acuerdo con una posible realización de la invención.
La Figura 5 muestra un diagrama de bloques que representa el algoritmo de control empleado para estimar la posición del fulcro, de acuerdo con una posible realización de la invención.
La Figura 6 muestra un diagrama de bloques que representa el algoritmo de control que se encarga de modelar la fuerza percibida por el robot quirúrgico para reproducirla en el dispositivo háptico manejado por el cirujano, de acuerdo con una posible realización de la invención. Manera(s) de realizar la invención
La siguiente descripción no debe considerarse de forma limitativa, sino que sirve al propósito de describir los principios de la invención de forma amplia, las siguientes realizaciones se describen a modo de ejemplo, con referencia a las citadas figuras que muestran representaciones de algoritmos y métodos según la invención y aparatos y sistemas adecuados para implementar dichos algoritmos y métodos.
La Figura 1 muestra un esquema de un sistema robótico quirúrgico que implementa el método de la invención. La figura 1 representa una intervención quirúrgica mínimamente invasiva. Ejemplos de intervenciones en las que puede emplearse la cirugía mínimamente invasiva son intervenciones abdominales (colecistectomía, nefrectomía, prostatectomía...), intracraneales (resección tumoral...) o de traumatología (artroscopia, ortopedias...), entre otras. En la figura 1 se ha representado una intervención laparoscópica abdominal, en la que el cirujano 1 trabaja sobre una consola 4 desde la cual controla los movimientos del robot quirúrgico 8. El robot quirúrgico 8 es el que opera al paciente 2 postrado sobre la camilla de operaciones 3. La consola o interfaz 4, manejada por un usuario humano, actúa como sistema maestro. El robot quirúrgico 8 que manipula las herramientas quirúrgicas 12 13 (en este caso, instrumentos mínimamente invasivos) actúa como sistema esclavo. El robot quirúrgico 8 está formado tres unidades robóticas 9. Cada una de ellas lleva un brazo robótico o brazo manipulador. El robot quirúrgico 8 puede estar formado por más o menos unidades robóticas 9. Cada unidad robótica tiene al menos 6 grados de libertad. El brazo manipulador se explica más en detalle en relación con las figuras 3 y 4. Una de las unidades robóticas está configurada para llevar un endoscopio 12 con una cámara laparoscópica 1 1 y la otra u otras unidades robóticas están configuradas para llevar un instrumento mínimamente invasivo (tal como una herramienta quirúrgica laparoscópica) 13 propiamente dicho. El término "herramienta quirúrgica", "herramienta laparoscópica" o "instrumento mínimamente invasivo" se usan a lo largo de este texto de forma general, de modo que se refieren no sólo a herramientas quirúrgicas propiamente dichas, tales como bisturíes o pinzas, sino también a cualquier equipamiento de apoyo a la operación o de diagnóstico, tales como endoscopios, cámaras, etc. Cada brazo manipulador de cada unidad robótica dispone de un sensor (dispositivo de medición de fuerzas y pares) 10 acoplado sobre su efector final que permite obtener una medición de las fuerzas y pares de contacto entre la herramienta laparoscópica y el paciente 2. La unidad robótica 9 que lleva el endoscopio 12 (y cámara 1 1 ) también lleva un sensor 10 como los mencionados, aunque no se ilustra en la figura 1 . En uso del sistema quirúrgico robotizado, cada unidad robótica 9 se dispone cerca de la camilla 3 y el personal de cirugía guía el extremo distal del brazo manipulador (de cada unidad robótica 9) hasta introducir la herramienta quirúrgica 12 13 por un trocar que se ha insertado previamente a través de la piel del paciente 2 a través de una incisión. Es decir, los instrumentos mínimamente invasivos o herramientas quirúrgicas 12 13 se introducen por la incisión, por medio del trocar, hasta el interior del paciente. El brazo manipulador está entonces listo para usarse en la operación quirúrgica.
El sistema maestro incluye, además de la consola de control 4, al menos una pantalla 6 que permite visualizar en tiempo real el campo quirúrgico en dos o tres dimensiones gracias a las imágenes tomadas por la cámara 1 1 del endoscopio 12. El sistema maestro incluye también un dispositivo accionador, no ilustrado en la figura 1 , mediante el cual se puede activar o desactivar el manejo de las herramientas quirúrgicas 12 13. En una posible realización, el dispositivo accionador se implementa mediante uno o más pedales. El sistema maestro incluye también dos dispositivos mecánicos servoactuados y sensorizados (haptics) 5, que por un lado registran los movimientos realizados por las manos del usuario para desplazar y orientar sendos puntos de referencia determinados por cada haptic 5, y por otro lado permiten transmitir una fuerza sobre las manos del usuario a través de los servoactuadores en las manos del usuario, para que el usuario pueda percibir el contacto de las herramientas laparoscópicas 13 con el paciente 2.
Cada unidad robótica 9 del sistema esclavo (robot quirúrgico 8) comprende un brazo robótico (es decir, un dispositivo servoactuado y sensorizado) independiente (de otros brazos robóticos de otras unidades robóticas 9), en cuyo extremo distal se acopla una herramienta quirúrgica 12 13. La función de esta herramienta es reproducir los movimientos registrados por un dispositivo háptico asociado 5 para que dicha herramienta 12 13 se desplace de forma sincronizada con la mano del usuario. El dispositivo háptico 5 y el brazo manipulador asociado al mismo pueden estar separados una cierta distancia entre sí y se pueden comunicar a través de la transmisión de señales eléctricas por cable de comunicaciones o vía inalámbrica. Cada brazo manipulador de cada unidad quirúrgica 9 dispone de un dispositivo (sensor) 10 de medición de fuerzas y pares acoplado sobre su efector final (extremo distal del brazo manipulador) que permite obtener una medición de las fuerzas y pares de contacto entre la herramienta quirúrgica y el paciente, tal y como se describe en detalle más adelante.
Es decir, el cirujano 1 puede ver el campo quirúrgico a través de la pantalla 6, que recibe la imagen de la cámara laparoscópica 1 1 . El cirujano puede mover con sus manos los dispositivos hápticos 5, desplazamiento que se registra y envía a las unidades robóticas 9. También puede enviar comandos de voz grabados a través de un micrófono 7 para desplazar la unidad robótica 9 que sostiene la óptica o endoscopio 12. El movimiento de las unidades robóticas 9 que sostienen las herramientas laparoscópicas 13 y/o el endoscopio 12 (herramientas quirúrgicas en general) puede producir reacciones de fuerza en el paciente que se miden con los respectivos sensores de fuerza 10. El modo de movimiento de las unidades robóticas 9 puede ser seleccionado por el cirujano 1 de acuerdo con dos posibles modalidades: El modo "A" relaciona un desplazamiento de los dispositivos hápticos 5 con un desplazamiento del extremo distal de las herramientas quirúrgicas laparoscópicas 12 13, mientras que el modo "B" relaciona un desplazamiento de los dispositivos hápticos 5 con un desplazamiento del extremo proximal de las herramientas laparoscópicas 12 13.
La Figura 2 muestra el diagrama de flujos que sigue un algoritmo de control (o conjunto de algoritmos de control) del sistema descrito en la Figura 1 para las comunicaciones entre uno de los dispositivos hápticos 5 y una de las unidades robóticas 9, que en la Figura 2 se referencia como 23, de acuerdo con una posible realización de la invención. Este conjunto de algoritmos de control se ejecuta en la unidad robótica, excepto la parte relativa al dispositivo háptico 15 y al actuador 17, que se ejecuta desde la consola o unidad de control 4 ilustrada en la figura 1 . Concretamente, los algoritmos se ejecutan en medios de computación o informáticos que comprenden medios de procesado, tales como un microprocesador, unidad de procesado, o cualquier medio de procesado alternativo convencional, y medios de almacenamiento de memoria convencionales. La mano del cirujano 14 dirige el movimiento del dispositivo háptico 15, el cual es desplazado y orientado 31 alrededor del eje de la herramienta laparoscópica (instrumento mínimamente invasivo) por la mano del cirujano 14. El dispositivo háptico 15 transmite 32 al dispositivo accionador 17 la posición {H}PH y torsión YH absolutas del dispositivo háptico 15, preferentemente mediante una señal filtrada con un filtro paso-bajo de Butterworth orden-1 . La torsión es una de las tres componentes de la orientación del dispositivo háptico 15. El dispositivo accionador 17 se implementa preferentemente mediante un pedal o pedal de embrague configurado para ser accionado por el pie del cirujano 16. El pie del cirujano 16 pulsa o suelta el pedal de embrague 17, enviando la señal indicativa de presencia o ausencia de accionamiento 33 al dispositivo accionador 17.
Si el pedal 17 NO está pulsado 34, por un lado se actualizan las referencias 18 (y se guardan en memoria) de la posición absoluta {H}PHP del dispositivo háptico 15, la torsión absoluta y¾p del dispositivo háptico 15 (recibidos mediante la señal 32) y la matriz homogénea {B}T{ } P del efector final 55 (ilustrado en las Figuras 3 y 4) del brazo manipulador de la unidad robótica para hacer que la diferencia 38 entre la posición 1 'PH y torsión γπ absolutas 32 y de referencia {H}PHP, YHP 35 del desplazamiento relativo del dispositivo háptico 15 sea 0, y por otro se envía una señal de pedal no pulsado a la unidad robótica 23 para que se establezca el modo de movimiento libre/manual, de manera que pueda manipularlo un asistente con las manos. Nótese que la matriz homogénea es un término matemático que describe una posición y orientación de un sistema de referencia euclídeo referido a otro sistema de referencia base en una matriz de dimensión 4x4, de manera que la submatriz superior izquierda de dimensión 3x3 describe la orientación respecto del sistema base, siendo cada vector columna uno de los ejes del sistema, mientras que el vector 3x1 de la derecha de la matriz corresponde con la posición cartesiana respecto al sistema base.
Si el pedal SÍ está pulsado 36 entonces se aplica las diferencias ΔΡΗ, Δγπ entre la posición y torsión absolutas {H}PH, YH 32 del dispositivo háptico 15 y la posición y torsión de referencia {H}PHP, YHP guardadas en memoria 18 para obtener el desplazamiento relativo 38 del dispositivo háptico 15. A la diferencia ΔΡΗ se le aplican por un lado unos factores de escalado de posición Kp y torsión KY establecidos por el cirujano para aumentar la precisión del movimiento, y por otro lado un factor de reducción KS cuya expresión es una función sigmoide que depende de la fuerza realimentada FH 50 obtenida de un estimador de rigidez 30 que se detalla más adelante. Estos factores de escalado de posición y torsión y de reducción se pueden aplicar tanto en un modelo de navegación 19 como en la etapa anterior, en la que se aplican las diferencias entre la posición y torsión absolutas del dispositivo háptico 15 y la posición y torsión de referencia guardadas en memoria para obtener el desplazamiento relativo 38 del dispositivo háptico 15. Esta fuerza realimentada FH 50 está parametrizada por un valor a que indica el valor mínimo de KS, un valor ω que indica para qué fuerza realimentada FH 50 se produce el valor máximo de KS y un valor c que indica cómo de abrupta es la pendiente de subida/bajada de la KS, cuya misión consiste en disminuir la velocidad en el movimiento de la herramienta quirúrgica cuando ésta entra en contacto con el tejido interno del paciente para así mejorar la estabilidad del algoritmo de control de realimentación de fuerzas de contacto con el tejido del paciente al cirujano:
Figure imgf000011_0001
La Figura 2 incluye también un modelo de navegación 19 que comprende un algoritmo de planificación de la siguiente posición esférica del extremo distal de la herramienta quirúrgica. Para la planificación de la posición esférica, el modelo de navegación 19 recibe el desplazamiento relativo 38 del dispositivo háptico 15, ya escalado, la matriz homogénea {B}T{ } P 37 del efector final 55 del brazo robótico con la posición y orientación (torsión) cartesianas de referencia en el momento de pulsar el pedal 17, la matriz homogénea con la posición y orientación cartesianas 45 modelada del robot (modelo del robot 25) para calcular la siguiente posición del extremo distal de la herramienta laparoscópica o instrumento mínimamente invasivo, y la estimación de la posición del fulcro 48 proporcionada por un estimador de fulcro 29 para obtener la siguiente posición planificada 39 del efector final 55 del brazo robótico. A lo largo de la descripción de la Figura 2, cuando se menciona el "modelo del robot 25" para ser precisos, nos referimos al "modelo de la unidad robótica 25", pero en ocasiones, por simplicidad, se utiliza el término "robot".
Para explicar con más detalle el modelo de navegación 19, la Figura 3 representa el brazo robótico o brazo manipulador 52 de una unidad robótica 9 (23 en la Figura 2). En la Figura 3, el brazo manipulador 52 está realizando movimientos esféricos alrededor del punto de fulcro 57 localizado sobre la piel del paciente 53. El punto de fulcro 57 es el punto de inserción en el paciente de la herramienta quirúrgica. El punto de fulcro se encuentra localizado en la incisión practicada en la piel del paciente. La Figura 3 ilustra el problema de la navegación esférica resuelto por el modelo de navegación 19. Se define un sistema de coordenadas {/} sobre el punto de fulcro 57. Los ejes del sistema de coordenadas {/} permanecen paralelos a los de un sistema de referencia {6} asociado a la base 54 de la unidad robótica 9. Se define también un sistema de referencia {R} asociado al efector final 55 del brazo manipulador 52 y un sistema de referencia {T} asociado al extremo distal de la herramienta laparoscópica 56, ambos con sus ejes de dirección principales paralelos entre sí. La localización del efector final 55 del brazo manipulador 52 respecto al punto de fulcro 57 se establece a través de las coordenadas esféricas definidas como ángulo de orientación a 58, ángulo de altitud β 59, orientación de torsión y 60 alrededor de su propio eje y distancia exterior p 61 o distancia a lo largo del instrumental que abarca desde el centro de rotación del efector final 55 hasta el punto de fulcro 57. Nótese que los ángulos a y β pueden obtenerse con la lectura directa de los sensores internos del robot, lo que no ocurre con la distancia exterior p. Nótese que los sensores internos del robot no son los sensores 10 situados en el efector final del brazo manipulador (véase Figura 1 ), sino que se trata de sensores ensamblados internamente en los actuadores del motor de cada unidad robótica, para realizar mediciones sobre su posición, velocidad, etc. Estos sensores internos quedan fuera del alcance de la presente invención.
La navegación esférica se establece mediante el vector de componentes esféricas (a, β, p, y), el cual se puede obtener a partir de la relación entre la matriz homogénea {I}T{ } expresada en coordenadas cartesianas y esféricas, la cual define la posición y orientación cartesiana del efector final 55 del brazo manipulador 52 respecto al punto de fulcro 57. Esta matriz homogénea {I}T{ } puede calcularse a partir de su relación con la matriz homogénea {B}T{ } del efector final 55 del brazo manipulador 52 respecto de la base 54 y con la matriz homogénea {B}T{i} del punto de fulcro 57 respecto de la base 54. La matriz homogénea {B}T{ } del efector final 55 del brazo manipulador 52 respecto de la base 54 se obtiene 45 mediante el algoritmo de cinemática directa 26 (que se explica más adelante, ver Figura 2); la matriz homogénea {B}T{i} del punto de fulcro 57 respecto de la base 54 se obtiene 48 mediante el algoritmo de estimador del fulcro 29 (ver Figura 2):
Figure imgf000012_0001
cos a cos /? - sin a eos a sin /? p eos a sin /? eos γ - sin γ 0"
¡1} sin a eos/? cos a sin a sin /? p sin a sin /? sin γ cos y 0
I =
A {R} [2]
- sin /? 0 eos /? /O eos /? 0 0 1
0 0 0 1 0 0 0
Con este principio se puede calcular la matriz homogénea de la siguiente posición 1 'P'R y orientación {B}z'{R} del eje de la herramienta laparoscópica 39 a partir de la posición {B}PRP y orientación {B}ZRP del eje de referencia 37 del efector final 55 del brazo robótico, de la longitud de la herramienta laparoscópica L y del incremento de desplazamiento del dispositivo háptico Δ Η 38 según el modo de movimiento establecido para la herramienta laparoscópica. Así, en el modo A, en el cual los desplazamientos del dispositivo háptico 15 se corresponden con desplazamientos del extremo distal de la herramienta laparoscópica, las relaciones geométricas son de tipo cartesiano, mientras que en el modo B, en el cual los desplazamientos del dispositivo háptico 15 se corresponden con desplazamientos esféricos (ατ', β', p) del extremo proximal de la herramienta laparoscópica respecto de las posiciones esféricas de referencia (ar", /3P, pp), las relaciones geométricas son de tipo esférico:
{B} {B}
Z !R} + ΔΡΗ
Modo A
Figure imgf000012_0002
a' = ap + Ax¿
Modo B β' = βρ + Ay
ρ = ρρ +
Es decir, en el modo B, se calcula el vector de coordenadas esféricas de la siguiente posición y orientación planificadas 40 (ver "supervisor cinemático 20" de la Figura 2).
En la Figura 2, el supervisor cinemático 20 representa un algoritmo que verifica, a partir de la posición y orientación actuales 45 del efector final del modelo del robot 25, de la posición y orientación planificadas 39 por el modelo de navegación 19 y de la posición y orientación 41 de otras unidades robóticas 22, si las hubiera, que la posición y orientación planificadas 39 para el efector final 55 de la unidad robótica cumplan ciertos criterios de seguridad, manteniendo la herramienta laparoscópica dentro de una zona de trabajo válida. Algunos posibles criterios de seguridad son que el extremo distal de la herramienta quirúrgica permanezca dentro del campo quirúrgico visible, o bien que el extremo proximal de la herramienta quirúrgica (efector final 55 de la unidad robótica 23) permanezca a una distancia mínima de otras unidades robóticas, o bien que la herramienta quirúrgica pueda realizar la navegación esférica dentro de un subespacio tal que haya que cumplir unos límites físicos como son el no introducir el efector final 55 de la unidad robótica 23 más allá del punto de fulcro 48 estimado por el estimador de fulcro 29 de manera que la distancia exterior sea nula, o que el ángulo esférico de altitud no supere los 90° puesto que el extremo distal de la herramienta quirúrgica intentaría salir de la piel del paciente. En el caso de no cumplir alguno de estos criterios cinemáticos el supervisor cinemático 20 limita la posición y orientación planificadas 39 del efector final 55 de la unidad robótica 23 (planificadas por el modelo de navegación 19) para que no avancen fuera de la zona de trabajo.
En la Figura 2, la cinemática inversa 21 representa un algoritmo que recibe la posición y orientación actuales 45 del efector final del modelo del robot (obtenidas por el algoritmo de cinemática directa 26, que se explica más adelante) y el vector de coordenadas esféricas de la siguiente posición y orientación planificadas 40 y restringida por el supervisor cinemático 20 del efector final de la unidad robótica 23, información que es convertida en las posiciones y velocidades articulares 42 necesarias para que cada grado de libertad de la unidad robótica 23 movido por un actuador localice la siguiente posición y orientación planificadas 40 del efector final de la unidad robótica 23.
Los actuadores de la unidad robótica 23 reciben las posiciones y velocidades articulares 42 procedentes del algoritmo de cinemática inversa 21 . Las posiciones y velocidades articulares 42 son procesadas por un control en posición y velocidad basado en ganancias para garantizar que se sigue la planificación de la trayectoria cartesiana calculada por el modelo de navegación 19. La planificación de la trayectoria cartesiana reproducirá la interacción entre las herramientas laparoscópicas y el paciente 24 (interacción deseada por el cirujano). Como salida de la unidad robótica 23, los sensores de posicionamiento y velocidad de la propia unidad robótica miden 43 los parámetros de posición y velocidad articulares.
El modelo del robot 25 representa un algoritmo que calcula la dinámica de los actuadores de la unidad robótica 23 mediante un modelo del comportamiento real de los actuadores, de manera que ante las mismas consignas de posición y velocidad articulares 42 deseadas para cada actuador, obtenidas de la cinemática inversa 21 , las posiciones y velocidades articulares 43 de la unidad robótica 23 evolucionan de manera similar a las posiciones y velocidades articulares 44 en el modelo del robot 25. La función del modelo del robot 25 es reducir las inestabilidades producidas por las diferencias entre la frecuencia de muestreo a la que se actualizan las señales de estado de la posición y velocidad articulares 43 de la unidad robótica 23 en el sistema esclavo y la frecuencia de muestreo a la que se actualiza tanto la señal de estado de la posición del dispositivo háptico 15 como la actualización del estado 50 de los actuadores del dispositivo háptico 15, proporcionado por el estimador de rigidez 30. Para minimizar el error entre las posiciones y velocidades articulares 43 reales y las posiciones y velocidades articulares 44 modeladas, el modelo del robot 25 recibe la posición y velocidad articular 43 de la unidad robótica 23 para actualizar sus variables de estado internas a cada tiempo de muestreo establecido por las señales enviadas por la unidad robótica 23.
La cinemática directa 26 representa un algoritmo que transforma la posición articular 44 del modelo del robot 25 en coordenadas cartesianas 45, las cuales son utilizadas por el modelo de navegación 1 9 para conocer la posición cartesiana de referencia de la unidad robótica 23 a partir de la cual calcula la posición y orientación planificadas 39 (por ejemplo la trayectoria de navegación esférica).
El sensor de fuerzas 27 se mueve de forma solidaria al efector final de la unidad robótica 23, por lo que su posición y orientación vienen determinadas por el estado articular 43 del mismo. El sensor de fuerzas 27 incluye algoritmos para compensar tanto los pares gravitatorios como las inercias ejercidos por los actuadores y sensores integrados en el dispositivo de acople de la herramienta laparoscópica y la propia herramienta laparoscópica. La medición de las fuerzas y pares compensada en el sensor de fuerzas 27 es convertida en forma de señal eléctrica y filtrada, preferentemente mediante un filtro paso-bajo de Butterworth orden 1 (obteniéndose una señal filtrada {R}F) para poder enviarse 46 a la consola 4 a través del canal de comunicaciones entre la unidad robótica 23 y la consola 4.
El modelo de interacción 28 representa un algoritmo que determina en qué porcentaje de contribución la medición de las fuerzas compensadas {R}F 46 es debida a la interacción con el fulcro {R}F| 47 o con el tejido interno del paciente {R}FT 49 mediante los parámetros de contribución Á¡, Áj respectivamente. Esta diferenciación se hace basándose en la magnitud de la medición de fuerzas compensada 46 con una función sigmoide parametrizada para cada contribución siguiendo los siguientes criterios cualitativos:
Si la medición de las fuerzas compensadas {R}F 46 es baja, entonces casi toda la fuerza es debida a la interacción con el fulcro, de manera que 47 = 46 y 49 = 0.
Si la medición de las fuerzas compensadas {R}F 46 es alta, entonces casi toda la fuerza es debida a la interacción con el tejido interno del paciente, de manera que 47 = 0 y 49 = 46.
En una realización preferente, los parámetros de contribución se calculan a partir de la siguiente expresión:
Figure imgf000014_0001
El parámetro se resta a λτ para anular el efecto de la medición de fuerzas compensada 1 'F 46 en la fuerza de interacción con el tejido interno del paciente 49 cuando la medición de fuerzas compensada {R}F 27 reporta valores bajos. El parámetro Á¡ adopta valores casi nulos cuando la medición de fuerzas compensada {R}F 46 es alta. El parámetro ω indica dónde se produce el máximo de la sigmoide, mientras que c sirve para aumentar o disminuir la pendiente de subida/bajada de la sigmoide.
El estimador del fulcro 29 representa un algoritmo que se encarga, por un lado, de estimar la distancia exterior p a lo largo del eje de la herramienta laparoscópica a la que se encuentra el punto de fulcro de la posición cartesiana 45 (modelada por la cinemática directa 26) del efector final de la unidad robótica 23. Esta distancia exterior se calcula mediante la aplicación de las ecuaciones de equilibrio de fuerzas y pares de la señal con la medición de las fuerzas y pares compensada debida a la interacción con el fulcro 47. A esta estimación de la distancia exterior se le suma un desplazamiento cartesiano del fulcro en dirección perpendicular al eje de la herramienta laparoscópica obtenido a partir de un algoritmo de control de fuerzas basado en impedancias el cual utiliza como referencia de realimentación la medición de las fuerzas y pares compensada debida a la interacción con el fulcro 47, obteniendo como resultado la posición cartesiana estimada del fulcro 48. La figura 5 detalla el algoritmo de control empleado para estimar la posición del fulcro 48.
El método propuesto para obtener la estimación del punto de fulcro 48 depende del tipo de mecanismo de orientación de la herramienta laparoscópica instalado en el efector final de la unidad robótica. En una realización preferente, este mecanismo de orientación de la herramienta laparoscópica (o instrumento mínimamente invasivo) se realiza mediante actuación directa, y se comenta con más detalle siguiendo la ilustración de la Figura 4. Si la localización real del punto de fulcro {R}P| 57 (ver Figuras 3 y 4) es diferente de la estimada, el error en el posicionamiento {Κ}ΔΙ del fulcro genera una fuerza abdominal {R}F| 63 no deseada sobre la pared abdominal 53. La fuerza abdominal {R}F| 63 puede medirse con el sensor de fuerzas acoplado en el efector final 55 del robot. Si la magnitud escalar de la fuerza F¡ y par M¡ de interacción con el fulcro 63 es prácticamente nula entonces el fulcro estimado coincide con el real y no hay que actualizar la estimación del punto de fulcro 57. En caso contrario, la distancia exterior p puede calcularse mediante la siguiente expresión obtenida a partir del equilibrio de pares:
Figure imgf000015_0001
Por otro lado, para la interacción entre la herramienta laparoscópica 56 y la pared abdominal 53 se asume un comportamiento elástico lineal mediante la ganancia K¡, el cual relaciona el vector de fuerza {R}F| de interacción con el fulcro 63 con la elongación {Κ}ΔΙ producida sobre esta superficie:
!R'F, = ^ ,R!AI M
La ganancia K¡ se obtiene de forma general a partir de ensayos experimentales en los que se mide la fuerza de interacción con el fulcro F¡ 63 para desplazamientos ΔΙ conocidos. A este resultado se le aplica una ganancia C¡ < 1 cuyo valor se escoge para satisfacer los criterios de respuesta rápida para un lazo de realimentación y garantizar la estabilidad del algoritmo de control. De este modo, la estimación de la posición del punto de fulcro {R}P| 57 viene dada por la suma de la elongación de la pared abdominal registrada por la medición de la fuerza de interacción con el fulcro 63 y la estimación de la distancia exterior al fulcro obtenida por equilibrio de pares y que se encuentra en la dirección del eje {R}z del efector final 55 del brazo manipulador 52:
Figure imgf000015_0002
La Figura 5 muestra el algoritmo de control empleado para estimar la posición del fulcro 48 según el procedimiento expuesto anteriormente. La distancia exterior p 67 se calcula a partir de la expresión [5]. Es decir, la distancia exterior p 67 se calcula a partir de la orientación cartesiana actual {R}z 45 procedente de la cinemática directa 26 y de la contribución de las fuerzas {R}F| y pares {R}M| de interacción con la pared abdominal 47 procedentes del modelo de interacción 28. Esta contribución de las fuerzas {R}F| y pares {R}M| de interacción con la pared abdominal 47 se realimenta restándose a una fuerza de referencia {R}Fo deseada 68 para la interacción con la pared abdominal. El resultado 69 de esta resta se pondera con la ganancia de control C¡ 65, y el resultado de esta ponderación 70 se convierte de una magnitud en fuerzas a una magnitud en distancias con el factor de conversión K¡ 66. El resultado de esa conversión 71 se suma con el vector de estimación de la distancia exterior p{R}z 72 para obtener finalmente la posición cartesiana {R}P| del punto de fulcro 48 y enviarlo al modelo de navegación 19 para planificar la navegación esférica.
En la Figura 2, el estimador de rigidez 30 representa un algoritmo que se encarga de estimar de forma dinámica la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal de la herramienta mediante la medición de fuerzas y pares compensada debida a la interacción con el tejido interno del paciente 49 (obtenido por el modelo de interacción 28), de manera que la relación entre la fuerza y el desplazamiento de interacción con el tejido interno del paciente se puede modelar con un sistema lineal. Esta estimación de la rigidez del tejido interno del paciente forma parte de un algoritmo de estimación por mínimos cuadrados, cuya misión es estabilizar el valor de la rigidez del tejido interno con un retardo lo más pequeño posible, con el cual se puede diferenciar la percepción de contacto de las manos del cirujano 14 a través de los dispositivos hápticos 15, entre objetos sólidos y blandos. Con esta estimación de la rigidez se calcula una fuerza de reacción simulada 50, proporcional al desplazamiento 51 del dispositivo háptico 15 realizado por la mano del cirujano 14 tomando como referencia la posición del dispositivo háptico 15 en la que se detectó por primera vez una medición de fuerzas y pares 49 debida a la interacción con el tejido interno del paciente 49. Esa fuerza de reacción simulada 50 es escalada para percibir el contacto en las manos del cirujano como una reacción natural, y posteriormente enviada a los actuadores del dispositivo háptico 15. El algoritmo de control del estimador de rigidez 30 de la Figura 2 se detalla en la Figura 6 y se encarga de modelar la fuerza percibida por la unidad robótica como una fuerza simulada {H}FH 50 que actúa en sentido contrario al movimiento del dispositivo háptico 15. Esta fuerza se simula mediante un modelo de la reacción de fuerzas 73 elástico-lineal con rigidez dinámica Kj, cuyo punto de equilibrio parte de la última posición háptica {H}PH° y cuya posición háptica actual es {H}PH 32. Una vez modelada la fuerza 75 por el modelo de reacción de fuerzas 73, se aplica un factor de escalado KF < 1 74 para mejorar la estabilidad del sistema. La siguiente expresión representa la fuerza simulada obtenida 50: vu -KFKT(<»ru-<»T» ) [8]
La rigidez dinámica Kj es un parámetro variable que permite percibir distintas resistencias en el haptic 15 en función del material en contacto con la herramienta laparoscópica. Por este motivo es necesario determinar esta magnitud en función de mediciones de fuerzas {R}FT de interacción con el tejido interno 49 obtenidas del entorno real de la unidad robótica 23 a través del modelo de interacción 28. Y también por ese motivo es necesario determinar la rigidez dinámica r en función de la posición actual del extremo distal de la herramienta {R}PT 45 (nótese que a partir de la matriz homogénea que describe la posición y orientación del robot pueden extraerse tanto el vector de la orientación cartesiana actual {R}z como la posición actual del extremo distal de la herramienta {R}PT) obtenida de la cinemática directa 26 del robot quirúrgico y de la posición distal del extremo de la herramienta en el momento del contacto {R}PT°:
Figure imgf000016_0001
Al ser este resultado instantáneo y altamente variable sobre todo en las inmediaciones del punto de contacto por la amplificación del ruido de la señal que registra las pequeñas deformaciones ΔΡτ, se aplica un algoritmo de estimación por mínimos cuadrados recurrente. Con este método se puede obtener un valor de Kj estable tras unos pocos ciclos de muestreo. El algoritmo de mínimos cuadrados recurrente consta de los siguientes pasos:
Inicio del método (iteración N=0): Ke(0) = 0 [10]
C(O) = 0> [1 1 ]
Donde φ debe ser un número suficientemente grande (cuanto mayor sea más rápido varía Kj respecto a cada iteración), y C es un parámetro del algoritmo que evoluciona con las iteraciones.
En la iteración /V-ésima calcular la nueva estimación de Kj según:
AP (N)-C(N)
KT (N + 1) = KT (N) + (¿v - APT (N) -KT (N)) Γ
l + APT 2 (N)C(N) I121
Actualizar C:
Figure imgf000017_0001
Volver al paso 2.
En suma, el método de la invención supera las principales limitaciones detectadas en el estado de la técnica tal y como se ha explicado:
Con respecto a métodos de control convencionales, que permiten al cirujano percibir la interacción de fuerzas entre las herramientas quirúrgicas y el paciente, pero en ellas no se tiene en cuenta la superposición de las fuerzas ejercidas por la herramienta laparoscópica sobre el punto de inserción y las de manipulación del tejido interno del paciente: El método descrito tiene en cuenta, en esa medición de fuerzas y pares entre las herramientas quirúrgicas y el paciente, qué porcentaje de la medición es debido a la interacción con el punto de fulcro y qué porcentaje de la medición es debido a la interacción con el tejido interno del paciente. Las fuerzas de contacto sobre el fulcro (fuerzas de reacción) aparecen cuando los movimientos de pivote de la herramienta laparoscópica se realizan alrededor de un punto que no coincide con el fulcro, es decir, cuando se produce una estimación errónea del punto de inserción. Las fuerzas de contacto sobre el extremo distal (fuerzas de manipulación) aparecen cuando se produce una interacción entre la herramienta laparoscópica y el tejido interno del paciente. Ambas componentes de la fuerza de contacto pueden producirse simultáneamente pero el dispositivo de medición de fuerzas y pares recopila la medición de la suma total de las fuerzas de contacto. El método modela las fuerzas de contacto y es capaz de separar las contribuciones a la medición de las fuerzas de reacción y las fuerzas de manipulación. Cada brazo manipulador dispone de un sistema de control de fuerzas que utiliza, por un lado, la fuerza de manipulación para obtener una estimación de la rigidez del tejido interno del paciente con la que modelar una fuerza de contacto con un tejido duro o blando que posteriormente se realimenta a la interfaz háptica, y por otro lado, la fuerza de reacción para obtener una mejor estimación de la posición del punto de inserción con la que minimizar la magnitud de dicha fuerza mediante la planificación de trayectorias de la herramienta laparoscópica alrededor del punto de inserción real.
En cuanto a las propuestas de control de movimientos de las herramientas laparoscópicas manejadas por un robot quirúrgico que dependen de mecanismos que, o bien producen cierto huelgo/imprecisión en el posicionamiento de las herramientas quirúrgicas, o bien requieren de recalibración fuera de línea, tanto al comienzo de la intervención como ante el desplazamiento del punto de fulcro debido a factores como un posible desplazamiento del paciente en la camilla: El método descrito estima la posición del punto de fulcro con la ecuación [7]. Con esta estimación del fulcro se aplica un algoritmo de control (Figura 5) que desplaza la herramienta laparoscópica del robot para que se encuentre alineada a lo largo del fulcro, de manera que minimice la fuerza ejercida sobre la pared abdominal del paciente. Además, esta estimación de la posición del fulcro se emplea para realizar la navegación esférica y que los nuevos movimientos de la herramienta laparoscópica se realicen alrededor de este punto.
Por último, con respecto a los robots quirúrgicos convencionales que sólo permiten un tipo de correspondencia entre el desplazamiento de los dispositivos hápticos y de las herramientas laparoscópicas, de manera que la posición del efector final del dispositivo háptico únicamente puede corresponderse con la posición del extremo distal de la herramienta laparoscópica manejada por el robot quirúrgico: El método descrito permite seleccionar, a través de una interfaz de la consola de control (por ejemplo a través de una pantalla táctil, una modalidad de movimiento del instrumento mínimamente invasivo: una primera modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo háptico con el desplazamiento del extremo distal del instrumento mínimamente invasivo; o una segunda modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo háptico con el desplazamiento del efector del brazo manipulador (es decir con el extremo proximal del instrumento mínimamente invasivo), de manera que se simulan los movimientos de pivote de un instrumento mínimamente invasivo manual a través del dispositivo háptico.
En este texto, la palabra "comprende" y sus variantes (como "comprendiendo", etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc. en el contexto de la presente invención, el término "aproximadamente" y los términos de su familia (tales como "aproximado", etc.) deberían entenderse como valores indicativos muy próximos a los que acompañan al término anteriormente mencionado. Es decir, se debería aceptar una desviación dentro de los límites aceptables a partir de un valor exacto, ya que la persona experta en la técnica comprenderá que dicha desviación a partir de los valores indicados resulta inevitable debido a las imprecisiones de la medición, etc. lo mismo resulta aplicable a los términos "alrededor" y "sustancialmente".
Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Un método de manejo de un sistema robótico para cirugía mínimamente invasiva, donde el sistema robótico comprende:
una consola de control (4) que comprende al menos un dispositivo accionador (1 7) y un dispositivo háptico
(5, 1 5) que a su vez comprende uno o más sensores de posicionamiento y servoactuadores,
y al menos una unidad robótica (9, 23) que comprende:
un brazo manipulador (52),
un efector (55) dispuesto en el extremo distal de dicho brazo manipulador (52), estando dicho efector (55) equipado con al menos un sensor de fuerzas y pares (1 0, 27),
al menos un actuador,
y un instrumento mínimamente invasivo (12, 1 3, 56) acoplado a dicho efector (55), donde el extremo distal de dicho instrumento mínimamente invasivo (12, 1 3, 56) está configurado para introducirse en una cavidad del cuerpo de un paciente a través de un punto de fulcro (57),
estando dicho método caracterizado por:
planificar una posición y orientación (39) de dicho efector (55) a partir de un desplazamiento relativo (38) de dicho dispositivo háptico (1 5), de unas coordenadas de referencia (37) de dicho efector (55), de unas coordenadas (45) del efector (55) según un modelo (25) de la unidad robótica (23) y de una estimación (48) de la posición del fulcro; a partir de dichas coordenadas (45) del efector (55) según dicho modelo (25) de la unidad robótica (23) y de la posición y orientación planificadas (39) del efector (55), obtener unas posiciones y velocidades articulares (42) necesarias para que cada grado de libertad de la unidad robótica (23) movido por dicho actuador haga que, en conjunto, se alcance la siguiente posición y orientación planificadas (39) del efector (55);
mover el efector (55) por medio de dicho al menos un actuador de acuerdo con dichas posiciones y velocidades articulares (42);
medir (46) mediante dicho al menos un sensor de fuerzas y pares (1 0, 27) acoplado a dicho efector (55) unas fuerzas y pares ejercidos por dicho efector (55) y por dicho instrumento mínimamente invasivo (1 3, 56) acoplado al mismo, al realizar dicho movimiento;
determinar (28) en qué porcentaje de contribución dicha medición (46) de fuerzas y pares es debida a la interacción con el punto de fulcro (47) o a la interacción con el tejido interno del paciente (49);
volver a estimar (48) la posición del fulcro, donde dicha estimación (48) se realiza a partir de la contribución debida a dicha interacción con el punto de fulcro (47) y de dichas coordenadas (45) del efector (55) según dicho modelo (25) de la unidad robótica (23);
estimar (50) la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal del instrumento mínimamente invasivo (1 3, 56) y calcular una fuerza de reacción simulada (50);
enviar esta fuerza de reacción simulada (50) al al menos un servoactuador del dispositivo háptico (1 5) para que le sea proporcionada a la mano del cirujano (14).
2. El método de la reivindicación 1 , en el que dichas coordenadas (45) del efector (55) según dicho modelo (25) de la unidad robótica (23) se obtienen a partir de una posición articular (44) de dicho modelo (25).
3. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho desplazamiento relativo (38) de dicho dispositivo háptico (1 5) se obtiene a partir de la diferencia entre una posición y torsión absolutas (32) del dispositivo háptico (1 5) y una posición y torsión de referencia (1 8).
4. El método de la reivindicación 3, en el que a dicha diferencia entre una posición y torsión absolutas (32) del dispositivo háptico (1 5) y una posición y torsión de referencia (1 8) se le aplican factores de escalado de posición Kp y torsión KY establecidos por el cirujano para aumentar la precisión del movimiento, y un factor de reducción Ks relacionado con dicha fuerza de reacción simulada (50).
5. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que para realizar dicha estimación del fulcro (48), se estima la distancia exterior p a lo largo del eje de dicho instrumento mínimamente invasivo (13, 56) a la que se encuentra el punto de fulcro con respecto a la posición (45) del efector (55) según dicho modelo (25) de la unidad robótica (23).
6. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha estimación (50) de la rigidez del tejido en contacto con el extremo distal del instrumento mínimamente invasivo (13, 56) y cálculo de una fuerza de reacción simulada (50) se realiza a partir de la contribución debida a la interacción con el tejido interno del paciente (49), de dichas coordenadas (45) del efector (55) según dicho modelo (25) de la unidad robótica (23) y del desplazamiento (51 ) del dispositivo háptico (15) realizado por la mano del cirujano (14).
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho cálculo de una fuerza de reacción simulada (50) se realiza a partir de la siguiente expresión:
™FH = -^ (|H!PH-|H¾)
donde {H}FH representa la fuerza simulada (50), KF es un factor de escalado, con KF < 1 , Kj es la rigidez dinámica, {H}PH es la posición háptica actual (32) y {H}PH° es la última posición háptica.
8. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además: a partir de la posición y orientación (45) del efector (55) según dicho modelo (25) de la unidad robótica (25), de la posición y orientación planificadas (39) y de la posición y orientación (41 ) de otras unidades robóticas (22), si las hubiera, verificar que la posición y orientación planificadas para el efector final (55) de la unidad robótica (9, 23) cumplen unos criterios de seguridad, y restringir (40) dicha posición y orientación en caso de que no se cumplan dichos criterios.
9. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además:
a través de una interfaz de la consola de control (4), seleccionar una modalidad de movimiento del instrumento mínimamente invasivo (13, 56): una primera modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo háptico (15) con el desplazamiento del extremo distal del instrumento mínimamente invasivo (13, 56); o una segunda modalidad en la que se relaciona el desplazamiento del dispositivo háptico (15) con el desplazamiento del efector (55) del brazo manipulador, de manera que se simulan los movimientos de pivote de un instrumento mínimamente invasivo (13, 56) manual a través del dispositivo háptico (15).
10. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cualquiera de las las etapas anteriores se lleva a cabo si dicho dispositivo accionador (16) está pulsado o accionado.
1 1 . El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dispositivo accionador (16) es un pedal.
12. Un producto de programa informático que comprende instrucciones/código de programa informático para realizar el método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
13. Un soporte /medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena código / instrucciones de programa para realizar el método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1 1 .
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