STADIUL ACTUAL GENERAL PRIVIND ROBOTICA MEDICALA Interactiunea Doctor – Robot - Pacient comanda poziţiei Computer
Chirurg Pacient
Robot
chirurgical Feedbackul Forţei Robot Monitor video Fig. 1 Pentru a înţelege de ce sunt folosiţi roboţii în chirurgie, trebuie să ştim ce avantaje prezintă aceştia faţă de chirurg: au o precizie geometrică bună; au o bună repetabilitate; nu obosesc; pot fi sterilizaţi; sunt rezistenţi la radiaţii şi infecţii; pot folosi senzori în plus faţă de om (chimici, termici etc.). Roboţii chirurgicali se folosesc în trei taskuri diferite, care vor fi analizate în continuare.
1. Robotica în chirurgia ortopedică Ortopedia reprezintă unul din primele taskuri în care au fost utilizaţi roboţii. Faţă de ţesuturile moi, oasele sunt mai uşor de manipulat. În plus, ele sunt puţin deformabile, mai ales în timpul tăierii. Aceste două aspecte permit implementarea tehnicilor bazate pe un plan pre-operaţie, existent în memoria computerului. Aceasta presupune faptul că, există mai multe programe asociate cu: procedurile clasice manuale; anatomia teoretică generală porţiunii corpului în care se operează; anatomia specifică pacientului care urmează să fie operat. 1
Aplicaţiile chirurgicale ortopedice robotice cele mai des folosite sunt : montarea protezei de şold; montarea protezei de genunchi; operaţii pe coloana vertebrală şi mai rar, reconstrucţie cranio-facială şi tratamentul fracturilor. În fig. 1.1 este prezentat un robot utilizat în chirurgia ortopedică.
Fig. 1.1 Studiile efectuate au arătat că operaţia robotică are două avantaje majore faţă de cea clasică. Primul este acela că orificiul femural în care se introduce proteza este mult mai precis format. Al doilea avantaj îl reprezintă faptul că chirurgul poate optimiza mărimea şi poziţia implantului în funcţie de pacient, datorită imaginilor şi planurilor pre-operatorii şi programelor specializate.
2
În cazul înlocuirii totale a genunchiului, aspectele importante de care depinde în mare măsură reuşita operaţiei sunt: tăierea corectă a osului; alinierea femurului cu tibia; localizarea corectă a punctelor de prindere a ligamentelor. Utilizarea radiografiilor pre-operatorii precum şi planul de operaţie pre-operator permit realizarea corectă a implantului robotizat. În cazul operaţiilor la coloana vertebrală, care necesită introducerea unor componente mecanice între vertebre, erori mici de poziţie sau orientare la suprafaţă (piele) pot conduce la penetrarea măduvei spinării, cu consecinţe dezastruoase pentru pacient (paralizie). Aceste erori nu pot fi monitorizate în timpul operaţiei, datorită pericolului de supraexpunere radiologică. De aceea, asistenţa pasivă a robotului prin utilizarea imaginilor şi planurilor pre-operatorii este crucială.
2. Robotica în neurochirurgie Neurochirurgia a fost unul din primele taskuri ale chirurgiei robotizate. Datorită preciziei mari care se cere în îndepărtarea tumorilor, cheagurilor de sânge, fragmentelor de os etc. pentru a nu leza părţi sănătoase ale creierului, folosirea imaginisticii pre-operatorii şi a roboţilor de mare precizie permite poziţionarea şi orientarea cu mare acurateţe a instrumentarului. Din motive deontologice, de obicei, operaţia efectivă este efectuată de chirurg. Radiochirurgia utilizează o bucăţică de substanţă radioactivă pe post de instrument chirurgical pentru distrugerea tumorilor cerebrale. Deoarece sursa de radiaţie este de obicei mare şi trebuie să urmărească o traiectorie precisă, roboţii sunt utilizaţi ca platformă de mişcare pentru această aplicaţie – vezi fig. 2.1.
3
Fig. 2.1
3. Robotica în chirurgia generală şi toracică Chirurgia generală şi toracică robotizată este mai cunoscută sub numele de chirurgie minimal invazivă. Aceasta se datorează faptului că, spre deosebire de chirurgia clasică, unde deseori se fac incizii mari de zeci de centimetri, în acest caz se fac câteva incizii de 1-2 cm în peretele abdominal sau toracic. Aceste incizii permit intrarea capetelor mai multor (de obicei trei) braţe robotice care pot să se mişte în interiorul corpului. În acest caz, chirurgul nu operează direct pacientul, ci prin intermediul robotului, acţionând de la o consolă – vezi fig. 3.1, 3.2 si 3.3. De fapt, prin acest procedeu, se pot face chiar operaţii la mare distanţă; astfel în fig. 3.2 şi 3.3 este prezentată realizarea unei operaţii transatlantice, realizată prin satelit. Aceste operaţii folosesc de regulă trei braţe pentru realizarea operaţiei. Unul din braţe conţine video-endoscopul, care permite preluarea imaginilor direct pe monitor – vezi fig. 3.2.
4
Mecanismul de orientare este de obicei redundant, permiţând realizarea mişcărilor necesare în pofida constrângerilor datorate inciziei. Astfel, chirurgul poate ghida instrumentarul în diferite orientări în jurul diferitelor organe interne. Controlerul robotului reduce la scară mişcarea chirurgului, astfel încât robotul poate executa mişcări mai mici decât ar putea efectua chiar un chirurg foarte bun la o operaţie clasică. Acest lucru a fost demonstrat în operaţii foarte delicate, necesitând proceduri microchirurgicale, cum ar fi cele utilizate la realizarea by-passurilor coronariene. Programele specializate permit la rândul lor ajutorarea medicilor şi din alte puncte de vedere. Astfel de exemplu, pot să coreleze rotaţia capului robotu-
Fig. 3.1 lui cu rotaţia pe care o efectuează chirurgul la pupitrul de comandă, astfel încât, pe monitor rotirea capului robotului are aceeaşi direcţie şi sens cu rotirea manetei sau joystickului de comandă al chirurgului. Pe de altă parte, toţi aceşti roboţi chirurgicali dispun de programe speciale pentru compensarea tremorului (tremuratul) mâinii chirurgului.
5
Fig. 3.2
Fig. 3.3
6
4. Robotica pentru ajutorarea pacienţilor A doua componentă majoră a roboticii medicale o reprezintă ajutorarea pacienţilor. În acest caz, robotica este utilizată cu preponderenţă în ajutorarea oamenilor handicapaţi, principalele aplicaţii fiind: proteze pentru membrele umane; orteze pentru membrele umane; teleteze pentru handicapaţi. Conform celor spuse în definiţia robotului , nu sunt considerate taskuri robotice acele aplicaţii care nu exercită o modificare fizică a mediului. În acest caz, aplicaţii cum sunt: proteze auditive sau vizuale; protezele organelor interne; asistenţa organelor interne (pacemaker etc.). Din prezentarea făcută reiese că robotica medicală se adresează cu preponderenţă pacienţilor cu handicap. Studiile statistice efectuate în SUA demonstrează că 22,5% din populaţie prezintă handicap de diverse grade. Din aceştia, 14,4%, adică 3,25%din populaţia totală, au o activitate redusă datorată handicapului [GUI 88]. Peste 80% din aceştia, adică 2,6% din populaţia activă, au un handicap motor.
Proteze Protezele membrelor au ca scop să înlocuiască total sau parţial o mână sau un picior. Istoricul protezelor este îndepărtat, prima proteză găsită datând încă de acum 2000 de ani. Din toate celelalte etape ale dezvoltării umane, cum ar fi evul mediu au existat de asemenea proteze pentru înlocuirea membrelor umane. O prezentare detaliată de modele poate fi găsită în [STA 01]. Epoca modernă şi revoluţia informatică au adus cu sine îmbunătăţiri şi în acest domeniu. Dacă din punct de vedere mecanic lucrurile sunt destul de bine puse la punct, problemele mari care apar sunt: sursa de energie. Energia trebuie să fie ieftină, mică, uşoară, puternică şi durabilă. În momentul de faţă, cu toate progresele înregistrate în domeniu şi cercetările intense care se desfăşoară, nu a fost încă găsită o soluţie satisfăcătoare; comanda protezei. În mod normal, proteza ar trebui să fie comandată de aceleaşi terminaţii nervoase care comandau înainte membrul sau bucata de membru lipsă. Deşi se fac studii numeroase în marile laboratoare şi s-a reuşit cuplarea microprocesoarelor de nervi, există două tipuri de probleme: modul de transmitere al informaţiei de la dispozitivul electronic către creier; realizarea unei legături durabile, deoarece neuronul tinde fie să se retragă, fie după un timp relativ scurt încetează să mai funcţioneze (moare). În fig. 4.1 este prezentată o proteză de mână si utilizarea protezei pentru baut
7
Mişcările protezei prezentate sunt comandate de un computer şi un controller.
Fig. 4.1
Optim ar fi ca proteza să fie comandată direct de creierul omului. Pentru aceasta, motoarele şi senzorii protezei ar trebui să fie legaţi de sistemul nervos al omului, prin care să transmită la creier şi să primească de la acesta impulsurile necesare realizării taskului dorit. Din păcate, aceasta presupune o tehnologie de care nu dispunem în momentul actual, deoarece: pe de o parte, nu se cunosc în întregime mecanismele de funcţionare a sistemului nervos uman; pe de altă parte, încă nu sunt puse bine la punct realizarea “cuplărilor” între componentele electronice de comandă şi control şi neuronii umani.
Orteze Ortezele au ca scop asistarea membrelor existente în îndeplinirea unor funcţii lipsă sau reduse. Astfel, ortezele se montează pe membrul existent, “ajutându-l” să efectueze diferite mişcări pe care membrul nu le poate efectua de loc sau parţial. Este evident că există mai multe diferenţe între proteze şi orteze, care nu sunt întotdeauna remarcate: în primul rând, este vorba de structura mecanică ce diferă radical între cele două; senzorii diferă ca tip şi amplasare la orteze şi proteze; 8
transmisiile utilizate sunt diferite, etc. În fig. 4.2 este prezentată o orteză de mână, care, montată pe mână şi degete, ajută suplinirea mişcărilor acestor componente anatomice la un pacient cu deficienţe de mişcare ( handicapat motor).
Fig. 4.2
În fig. 4.3 este prezentată o orteză pentru ambele membre inferioare, care are ca scop înlocuirea funcţiei motrice la un pacient paralizat. Acest exemplu este de fapt o orteză stăpân-sclav telecomandată. Asta înseamnă că există două proteze identice, una pentru bolnav ,şi una pentru un om sănătos, care îl ajută pe primul. Ambii “îmbracă” ortezele, care se află tot timpul în aceeaşi poziţie. Omul sănătos îmbracă orteza stăpân, iar cel bolnav orteza sclav. Apoi, mişcările efectuate de orteza stăpân sunt preluate întocmai, prin sistemul de comandă şi control, de orteza sclav. Trebuie făcută precizarea că termenii de stăpân şi sclav, deşi pot părea ciudaţi, sunt acceptaţi în limbajul tehnic, provenind din limbile de circulaţie internaţională: master-slave, în limba engleză, respectiv maitre-esclave, în limba franceză, însemnând acelaşi lucru. Pentru această orteză a fost preferată această soluţie telecomandată, deoarece în acest caz, pe lângă mişcările care trebuie efectuate, o problemă importantă reprezintă şi menţinerea echilibrului, care, la soluţia aleasă, este realizată de către omul sănătos. Realizarea acestei cerinţe prin alte metode este destul de greu de îndeplinit, datorită: prezenţei omului în interior, ale cărui mişcări sunt deseori incontrolabile (trebuie să reamintim că omul este paralizat);
9
necesităţii unor senzori giroscopici şi a unor programe foarte complexe, care să calculeze instantaneu modelul dinamic al “ansamblului” om-orteză
Fig. 4.3
Teleteze Prin denumirea de teleteză se înţelege un robot care, ataşat la căruciorul unui bolnav paralizat, îl ajută pe acesta la realizarea diferitelor sarcini zilnice – vezi fig. 4.4. Robotul utilizat seamănă cu un robot manufacturier. Unele laboratoare şi universităţi studiază chiar posibilitatea utilizării unor roboţi industriali cu modificări în acest scop. Sarcinile pentru care este utilizat robotul diferă foarte mult, în funcţie de necesităţile bolnavului.
10
Fig. 4.4 Aceste necesităţi pot fi legate de: alimentaţie, respectiv utilizarea unei linguri, furculiţe, pahar etc.; igienă, respectiv spălat, ras, machiat, baie etc.; sarcini casnice, respectiv îmbrăcat, aprins lumina, luat o pătură etc.; comunicare, adică ţinut telefonul la ureche, scris, citit, întors pagini; hobby: pictură, croşetat etc. Utilizarea unei teleteze, chiar performante, nu este o întreprindere uşoară. Şi asta din mai multe motive. În primul rând, de o importanţă majoră este comunicarea om-maşină, care este esenţială. Dar, teletezele sunt destinate cu prioritate bolnavilor tetraplegici, adică celor care datorită unor traumatisme sau din naştere, sunt paralizaţi de la gât în jos. Asta înseamnă că ei nu pot mişca nici mâinile, nici picioarele, iar în unele cazuri nu pot nici vorbi. În asemenea cazuri extreme, sunt utilizaţi senzori speciali pentru ca omul, cu mişcări ale capului sau ale componentelor anatomice ale capului, să poată comanda robotul. Un astfel de senzor, mecanic este prezentat în fig. 4.5. Alte tipuri de senzori speciali utilizaţi în asemenea cazuri severe sunt: 1. senzori care preiau mişcările capului: 11
1.1.mecanici; 1.1.1. cu mărci tensometrice; 1.1.2. cu bare articulate şi senzori potenţiometrici – vezi fig. 4.5; 1.2.opto-electrici; 1.3.cu ultrasunete; 1.4.cu semnale mioelectrice; 1.5.electromagnetici; 1.6.accelerometrici; 2. senzori care preiau mişcările globilor oculari: 2.1.utilizarea câmpului electric corneo-retinian; 2.2.analizarea video a pupilei şi reflexiei corneene; 2.3.electromagnetici (utilizarea unei lentile de contact cu bobină inclusă); 2.4.metode optice cu celule fotoelectrice etc. Alte probleme care apar privesc: montarea robotului pe cărucior; învăţarea bolnavului să lucreze cu robotul; limitele în utilizare (mecanice, comandă şi control, securitate);
Fig. 4.5
întreţinerea în timp a robotului;
12
STRUCTURA ROBOTULUI Structura unui robot este, defapat, un sistem compus din mai multe subsisteme. Sistem este un ansamblu de parti componente, elemente, si legaturile dintre acestea. Elementele care compun acest sistem se numesc subsisteme. La randul lor subsistemele pot avea si ele subsisteme, din acest motiv exista o ierarhizare si anume sistemul principal se numeste sistem de rangul 1, subsistemele se numesc sisteme de rangul 2, etc.
Modul cum se compune un sistem din subsisteme si legaturile dintre aceste subsisteme definesc structura unui sistem. Aceasta compunere a sistemelor din subsisteme se evidentiaza prin scheme bloc, iar legaturile dintre subsisteme, prin matrici de cuplare (care definesc legaturile dintre “intrarile” si “iesirile”) si matrici de structura (care ne arata care subsisteme sunt in legatura). Robotul este un sistem de rangul 1, si se aseamana, constructiv, cu sistemul unui om, la fel si subsistemele robotului. Schema bloc al structuri unui robot este:
Sistemul unui robot comunica cu mediul si este compus din urmatoarele: o Sistemul mecanic al robotului care are rolul scheletului uman, astfel defineste natura 13
si amplitudinea miscarilor ce se pot realiza. o Sistemul de actionare realizeaza miscarea relativa a elementelor mecanismelor din sistemul mecanic, si are rolul sistemului muschiular al omului. o Sistemul de comanda emite comenzi catre sistemul de actionare si prelucreaza informatii preluate de la sistemul mecanic, de actionare si de la mediu, are rolul sistemului nervos uman. o Traductorii si aparatele de masura preia informatii despre starea interna a robotului, adica deplasari, viteze, acceleratii relative, debite, presiuni, temperaturi. o Senzorii preia informatii despre starea „externa” a robotului, caracterizata prin parametrii mediului (temperatura, presiune, compozitie, etc.) si actiunea acestuia asupra robotului (forte, cupluri, etc.). Traductorii si senzori au rolul organelor de simt. o Platformei mobile are rolul de a realiza deplasarea robotilor mobili si face parte din componenta sistemului mecanic, cu rolul aparatului locomotor al omului. o Sistemul de conducere este un sistem de rang superior al sistemului mecanic si este compus din sistemul de comanda si cel de actionare. Robotii actionati hidraulic contin un grup hidraulic pentru prepararea si realizarea circulatiei fluidului purtator de energie (ulei). Acest grup joaca rolul aparatului digestiv si a celui respirator / circulator al omului. Se intelege prin “mediu” al robotului spatiul in care acesta evolueaza, cu obiectele continute si fenomenele care au loc in acest spatiu. Totalitatea obiectelor cu care robotul interactioneaza constituie “periferia” acestuia. Legaturile dintre componentele robotului si a componentelor care realizeaza legaturile cu mediu sunt : o directe o inverse (”feed back”). Legaturi directe avem la sistemul de comanda atunci cand transmite comenzi la sistemul de actionare, iar acesta actioneaza asupra cuplelor cinematice conducatoare, axele, sistemului mecanic, care la randul sau, actioneaza asupra mediului cu efectorul final. Legaturi inverse sunt informatiile furnizate sistemului de comanda de catre traductoare, senzori si aparate de masura. Se mai considera legaturi si fluxul de energie dat de mediu sistemului de actionare al robotului, si fluxul de energie disipat de la robot la mediu. Sistemul mecanic al robotului In cazul general un robot industrial trebuie sa realizeze: - actiuni asupra mediului inconjurator, cu efectori finali; - perceptie, pentru a culege informatii din mediul de lucru, cu senzori si traductori; - comunicare, pentru schimb de informatii; - decizie, in scopul realizarii unor sarcini.
14
Pentru realizarea acestor functii, structura unui robot este alcatuita din: - sistemul mecanic; - sistemul de actionare; - sistemul de programare si comanda; - sistemul senzorial. Sistemul mecanic este constituit din mai multe elemente legate intre ele prin cuple cinematice. Sistemul de actionare serveste la transformarea unei anumite energii in energie mecanica si transmiterea ei la cuplele cinematice conducatoare. Sistemul de comanda si programare este un ansamblu de echipamente si de programe care realizeaza miscarea robotului. Sistemul senzorial reprezinta un ansamblu de elemente specializate transpunerea proprietatilor ale diferitelor obiecte in informatii. Sistemul mecanic al robotului are rolul sa asigure realizarea miscarilor acestuia si transmiterea energiei mecanice necesare interactiunii cu mediul. Adica are sarcina de a deplasa un obiect. Partea din sistemul mecanic care realizeaza aceasta deplasare se numeste dispozitiv de ghidare sau manipulator. Se intelege prin manipulare modificarea situarii in spatiu a unui obiect. Utilizarea mainii de catre om a determinat formarea cuvantului de manipulare. Manipularea obiectului se realizeaza prin modificarea situarii bazei efectorului final, cu care obiectul este solidarizat. In acest scop, baza efectorului final este solidarizata cu un element al dispozitivului de ghidare. Dispozitivul de ghidare are rolul de a da efectorului final miscarile si energia mecanica necesara miscari in conformitate cu actiunea necesitata asupra mediului. Subsistemul din cadrul sistemului mecanic dedicat acestei interactiuni este efectorul final. Efectorul final al robotului care manipuleaza obiecte se numeste dispozitiv de prehensiune. Din punct de vedere al teoriei mecanismelor, obiectul si partea de baza a dispozitivului de prehensiune formeaza o cupla cinematica de clasa a VI-a, inchisa deobicei prin forta. Dispozitivele de ghidare pot fi cu: - topologie seriala, - paralela - mixta. Structura sistemului mecanic al unui robot este :
15
Situarea, adica pozitia – orientarea, unui corp in spatiul tridimensional este definita cu ajutorul pozitiei punctului caracteristic, si orientarilor dreptei caracteristice, respectiv a dreptei auxiliare. Punctul caracteristic si dreapta caracteristica / auxiliara la un obiect cilindric se reprezinta astfel :
16
