ES2392059B2 - Robot de estructura cinemática híbrida para el guiado de la inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva. - Google Patents

Robot de estructura cinemática híbrida para el guiado de la inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva. Download PDF

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Walter CABRERA PARRA
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Abstract

Robot de estructura cinemática híbrida para el guiado de la inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva, comprendiendo:#- un mecanismo paralelo esférico de orientación (C) con:#- elemento base (10);#- elemento móvil (11) con sistema láser (37) de guiado y unidad inercial (30) para calibración;#- articulación esférica (17);#- dispositivo de acople (31) del instrumental quirúrgico (32);#- mecanismo serial de posicionamiento (B) acoplado con el elemento base (10), con eslabones (5, 7, 9) en serie unidos mediante articulaciones rotativas (4, 6, 8) accionadas por actuadores (23a, 23b, 23c) para posicionar en el espacio, según tres grados de libertad, la articulación esférica (17) del mecanismo de orientación (C);#- base (3), acoplada al mecanismo de posicionamiento (B), para anclar al robot sobre un soporte móvil (A);#- soporte móvil (A) con sistema de fijación (D) para el acople a la camilla de operaciones (50).

Description

Robot de estructura cinemática híbrida para el guiado de la inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva
Campo de la invención
La presente invención se engloba en el ámbito de los dispositivos robóticos médicos que permiten asistir, y/o realizar procedimientos de cirugía mínimamente invasiva, que permitan posicionar y/o orientar instrumental quirúrgico de manera exacta y repetitiva. En particular, a aquellos dispositivos robóticos que permitan realizar procedimientos de guiado e inserción de agujas y/o catéteres y/o instrumental en pacientes para la toma de muestra de tejidos y/o fluidos intra-corporales para biopsia y diagnosis, inserción y deposición de marcadores fiduciales, administración localizada de medicamentos específicos, de manera precisa y controlada, a partir de una pre-planificación basada en el análisis de imágenes médicas previamente capturadas.
Antecedentes de la invención
La presente invención de robot de estructura cinemática híbrida para el guiado e inserción de agujas y catéteres para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva, tiene como objetivo dar una solución a la necesidad de realizar los procedimientos de inserción de agujas y/o cánulas y/o catéter de manera exacta, repetitiva, planificada y controlada.
La medicina contemporánea se inclina hacia el empleo de terapias menos invasivas y más localizada, denominadas cirugías mínimamente invasivas. Uno de los procedimientos que pertenecen a este sector que más se lleva a cabo dentro del ámbito quirúrgico, es la inserción percutánea de agujas y catéteres para la toma de muestra tisular o administración de medicamentos específicos. Las intervenciones mediante la inserción de agujas ofrecen varias ventajas sobre la cirugía tradicional, como ser heridas más pequeñas y por consiguiente menor tiempo de recuperación, menor dosis de anestesia, menor trauma post-operativo, y menor riesgo de complicaciones, entre otras.
Actualmente el procedimiento convencional de inserción de agujas se realiza de manera manual sin referencia exacta del punto de inserción y de la orientación del instrumental. Esto se debe a que el proceso de planificación se basa en el reconocimiento e identificación de marcadores que se colocan sobre el paciente durante la sesión de toma de imágenes médicas. Además durante el proceso de inserción la orientación del instrumental se corrige únicamente con la correlación de las imágenes que se tienen del paciente, la realimentación kinostática del especialista y la reconstrucción mental del especialista de la anatomía del paciente. Esta metodología carece de exactitud, siendo frecuente la inserción errónea del instrumental lo cual infiere en una nueva punción, y en casos más graves, en severas hemorragias internas.
El desarrollo de robots quirúrgicos está principalmente motivado por la necesidad de mejorar la efectividad de los procedimientos quirúrgicos. Las tecnologías basadas en la automatización y robótica permiten mejorar la efectividad de los mismos, al poder integrar varias fuentes de información como los son las imágenes médicas y su procesamiento, y realizar tareas complejas en tiempo real.
En particular, existe documentación que certifica que el procedimiento de guiado e inserción de instrumental llevado a cabo mediante la asistencia de un dispositivo robótico supera a la técnica tradicional.
Tal es el caso del sistema robótico tele-operado Da Vinci de Intuitive Surgical Inc., el cual es hoy en día el robot más empleado en salas de cirugía mínimamente invasiva, principalmente debido a su gran versatilidad y escasez de propuestas comerciales en el mercado, lo cual eleva su coste y limita su empleo a pocas salas de cirugía.
Sin embargo, el robot Da Vinci no fue diseñado para realizar tareas de guiado e inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos, por lo que su versatilidad supera las necesidades operarias de dicho procedimiento. Es decir, el robot Da-Vinci es un sistema de alta complejidad compuesto por tres o cuatros brazos de siete grados de libertad, cuando para llevar a cabo un procedimiento de guiado se requieren de tres grados de libertad para posicionar el instrumental y dos grados más para orientarlo, y en caso de realizar un inserción automatizada se requiere uno o dos grados adicionales. Por lo tanto, la capacidad de movimientos del robot supera ampliamente los requisitos de la tarea de guiado e inserción. Por otro lado, dicha versatilidad del robot requiere que el operario dedique muchas horas de capacitación y entrenamiento con el dispositivo.
Es por ello que el diseño y desarrollo de un dispositivo robótico diseñado especialmente para las tareas de guiado e inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos, permitiría proponer una alternativa específica para la tarea, de menor coste y de menor tiempo de aprendizaje por parte del operario.
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La presente invención emplea una estructura cinemática híbrida de seis grados de libertad, la cual aprovecha las cualidades mecánicas de los mecanismos seriales y los mecanismos paralelos, diseñada especialmente para realizar las tareas de guiado e inserción. Además, presenta un sistema compuesto por láseres y unidades inerciales que permiten calibrar y corregir la posición y orientación del instrumental quirúrgico. Dicho instrumental se acopla al extremo distal del mecanismo mediante un dispositivo de acople que le permite al instrumental desacoplarse, dependiendo si la tarea de inserción será realizada por el robot de manera automatizada (activa), o será realizada por el especialista de manera manual guiada por el robot (pasiva).
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo robótico de estructura cinemática híbrida para el guiado de la inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva. Está aplicado a los procedimientos de cirugía mínimamente invasiva robótica que permite guiar e insertar agujas y/o catéteres y/o instrumental de medición de manera exacta, repetitiva y controlada, para la toma de muestras de tejidos y/o fluidos intra-corporales para biopsia y diagnosis, inserción y deposición de marcadores fiduciales, administración localizada de medicamentos específicos, de manera precisa y controlada, a partir de una pre-planificación basada en el análisis de imágenes médicas previamente capturadas mediante algún sistema de imágenes como ser tomografía computada, resonancia magnética, ultrasonido, etc.
La invención del robot de estructura cinemática híbrida para el guiado de la inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva, permite realizar procedimientos de guiado e inserción de agujas para la toma de muestra tisular, inserción de marcadores fiduciales de manera precisa, controlada y segura. Permitiendo que el proceso de inserción se realice de manera manual y guiada por el robot, o de manera automatizada.
Para que un dispositivo robótico pueda realizar un procedimiento de guiado e inserción de agujas en un procedimiento de cirugía mínimamente invasivo, el dispositivo requiere de al menos 5 grados de libertad. Sin embargo, la presente invención presenta un mecanismo de 6 grados de libertad que no solo permite alcanzar el objetivo sino que le otorga al operador la posibilidad de seleccionar la configuración que mejor se adecue a las necesidades de la tarea y preferencias del especialista.
El dispositivo robótico de seis grados de libertad está basado en una estructura cinemática híbrida. Dicha topología híbrida del dispositivo, serial y paralelo, aprovecha las virtudes de cada una de ellas. Es decir, se emplea una cadena cinemática serial para cubrir un mayor volumen de trabajo y se emplea una cadena cinemática paralela para obtener un dispositivo de orientación rígido con dimensiones y peso reducido.
Los primeros tres grados de libertad están formadas por tres eslabones seriales unidos entre sí por articulaciones rotativas y los tres últimos grados de libertad lo forman un mecanismo paralelo del tipo esférico que lleva adosado un elemento móvil para portar instrumental quirúrgico y de guiado espacial.
El robot de estructura cinemática híbrida en su conjunto es un sistema conformado por partes estructurales mecánicas, articulaciones mecánicas, servo accionamientos de potencia, dispositivo de mando eléctricos, tarjetas electrónicas de potencia, sensores y sistema de control por computador.
El robot comprende:
-
un mecanismo paralelo esférico de orientación que incorpora:
• un elemento base;
• un elemento movil, con un sistema laser para el guiado y una unidad inercial para calibración, estando el mecanismo de orientación encargado de orientar al elemento móvil con respecto al elemento base en el espacio según tres grados de libertad
•
una articulacion esferica cuyo centro de rotacion se corresponde con la mufeca del robot;
•
un dispositivo de acople para permitir el acople y desacople del instrumental quirurgico.
-
un mecanismo serial de posicionamiento acoplado con el elemento base del mecanismo de orientación, estando formado por una pluralidad de eslabones en serie unidos entre sí mediante articulaciones rotativas accionadas por actuadores para posicionar en el espacio, según tres grados de libertad, la articulacion esferica del mecanismo de orientacion;
-
una base, acoplada al mecanismo serial de posicionamiento, que permite anclar al robot de
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estructura cinematica hibrida sobre un soporte movil;
-
un soporte móvil, sobre el cual se ancla la base del robot de estructura cinemática híbrida, y que dispone de un sistema de fijación que permite acoplar el soporte móvil a la camilla de operaciones.
El elemento base y el elemento móvil del mecanismo de orientación están preferentemente unidos entre sí mediante:
-
una pluralidad de piernas móviles formadas por una primera barra y una segunda barra articuladas entre sí mediante una articulación esférica, estando los extremos de cada pierna vinculada al elemento móvil mediante una articulación esférica y al elemento base mediante una articulación prismática actuada mediante un actuador;
-
una pierna fija que vincula a ambos discos mediante una articulación esférica cuyo centro de rotación se corresponde con la muñeca del robot.
El mecanismo de orientación puede disponer de tres accionamientos lineales de tipo biela-manivela accionados cada uno por un motor, estando cada biela articulada mediante una junta con la primera barra de cada pierna móvil configurada para deslizar linealmente sobre una guía para conseguir así un movimiento lineal.
En una realización preferente el mecanismo serial de posicionamiento comprende un primer, un segundo y un tercer eslabón y un primer, un segundo y un tercer motor, estando el primer eslabón acoplado a la base del robot y los motores acoplados al primer eslabón.
El primer eslabón está preferentemente accionado por el primer motor acoplado a un primer eje que está apoyado en unos rodamientos y en su extremo está una primera polea dentada que transmite la rotación mediante una primera correa dentada a una segunda polea que está adosado a un segundo eje sobre el cual se produce el movimiento del eslabón.
El segundo eslabón está preferentemente accionado por el segundo motor acoplado a un tercer eje que está apoyado en rodamientos y que en su extremo está atornillado a dicho segundo eslabón.
El tercer eslabón es preferentemente accionado por el tercer motor acoplado a un cuarto eje, el cual mediante una tercera y cuarta poleas y una segunda correa dentada que se acopla a un quinto eje adosado al tercer eslabón y que está apoyado en rodamientos, transmite el par de rotación del tercer motor al tercer eslabón.
El mecanismo serial de posicionamiento está acoplado en su extremo distal con el elemento base del mecanismo de orientación.
El robot puede comprender un sistema de control encargado de controlar los movimientos de las partes móviles del robot.
El robot puede comprender un sistema de fijación a la mesa de operación que dispone de unas guías de inserción que se fija a la mesa de operación.
El dispositivo de acople del instrumental quirúrgico es preferentemente acoplable al elemento móvil del mecanismo de orientación, disponiendo dicho dispositivo de acople de una unidad inercial para obtener el ángulo del instrumental quirúrgico una vez que el instrumental quirúrgico se haya desacoplado del elemento móvil del mecanismo de orientación.
El robot puede disponer de un dispositivo de medición láser ubicado sobre la base del robot y encargado de medir la posición del elemento móvil del dispositivo de orientación, cuando se le indica al mecanismo híbrido que alcance a unos marcadores predefinidos sobre la camilla de operaciones.
El sistema láser del elemento móvil puede comprender una pluralidad de punteros láser dispuestos en forma de abanico que sirve de guía para señalar el punto de inserción del dispositivo quirúrgico sobre el paciente.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
Figura 1: Vista en perspectiva del mecanismo robótico de estructura cinemática híbrida.
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Figura 2: Vista de despiece de los componentes principales en perspectiva del mecanismo.
Figura 3: Acople del dispositivo robótico a la camilla de cirugía.
Figura 4: Vista en perspectiva del brazo robótico de estructura cinemática híbrida.
Figura 5: Vista de despiece en perspectiva de la segunda y tercera articulación del mecanismo serial de posicionamiento de la muñeca.
Figura 6: Vista de despiece en perspectiva de la primera articulación del mecanismo serial de posicionamiento de la muñeca.
Figura 7: Vista de despiece en perspectiva del mecanismo paralelo esférico.
Figura 8: Vista de despiece en perspectiva del accionamiento lineal.
Figura 9: Vista en perspectiva de la unidad de medición inercial (IMU) con instrumento quirúrgico y acople al dispositivo móvil del mecanismo paralelo de orientación.
Descripción detallada de la invención
El robot de estructura cinemática híbrida para el guiado de la inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva, está compuesto por dos estructuras bien definidas: el mecanismo serial de posicionamiento (B) y el mecanismo paralelo esférico de orientación (C), que se acoplan para dotar al mecanismo de seis grados de libertad.
Tal y como se muestra en la Figura 1, que representa una vista en perspectiva de los distintos elementos del robot de estructura cinemática híbrida, el mecanismo serial de posicionamiento (B), también llamado cadena cinemática serial, está conformada por tres eslabones (5, 7, 9) vinculados entre sí mediante tres articulaciones rotacionales (4, 6, 8) dispuestas de manera tal que permite el posicionamiento de la muñeca del robot, articulación esférica (17), en el espacio.
El mecanismo paralelo esférico de orientación (C), también llamado estructura esférica de orientación o mecanismo de estructura paralela, es una estructura paralela con patrón de movimiento esférico, conformado por dos elementos, elemento base (10) y elemento móvil (11), que se vinculan entre sí mediante cuatro piernas. En una realización el elemento base (10) puede ser un disco fijo y el elemento móvil
(11)
un disco móvil. Tres de estas piernas están compuestas por una primera barra (12) y una segunda barra
(13)
que se articulan entre sí mediante una articulación esférica (14). Los extremos de las piernas se vinculan al elemento base (10) mediante una articulación prismática (15) y al elemento móvil (11) mediante una articulación esférica (16). La articulación prismática (15) está actuada mediante un actuador eléctrico, magnético, hidráulico, o neumático. La cuarta pierna, denominada pierna fija o base (18), vincula a ambos discos (10,11) mediante una articulación esférica (17) cuyo centro de rotación se corresponde con la muñeca del mecanismo. Este mecanismo de orientación (C) permite orientar al elemento móvil con respecto al elemento base en el espacio.
El conjunto de la arquitectura cinemática híbrida permite posicionar y orientar al instrumental quirúrgico (32), que se acopla en el elemento móvil (11), en el espacio de la tarea.
El dispositivo se encuentra anclado sobre un soporte o base móvil de apoyo (A) en la que está acoplada la base del robot (3). La base móvil de apoyo (A) permite acoplarse a la camilla del sistema de escáner de imagen mediante un sistema de fijación (D) a la mesa o camilla del paciente para poder ser colocado o retirado las veces que sea necesario.
En la Figura 2 se representa el despiece de los componentes principales del mecanismo robótico de cinemática híbrida. En dicha figura se muestra el sistema de fijación (D) a la mesa de operación. El mismo consta de unas guías de inserción (36) que se fija a la camilla de operación y los elementos de sujeción (34,35) de las guías de inserción, que están adosados al robot.
La Figura 3 muestra el acople del dispositivo robótico a la camilla de cirugía o mesa de operación (50). A partir de fijar el robot a la mesa de operación (50), el sistema de control (1, 2) desplaza automáticamente el robot hasta la posición y orientación introducida por el usuario en la interfaz de control. El sistema de control comprende medios de procesamiento de datos y medios de visualización, y está compuesto por los algoritmos de control alojados en un ordenador dedicado (1) y el hardware de control alojado en un gabinete (2).
La Figura 4 representa una vista en perspectiva del brazo robótico híbrido. Sobre la base del robot
(3) el mecanismo robótico lleva adosado un dispositivo de medición láser (33) de precisión, para controlar
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mediante algoritmos de calibración y en lazo cerrado la precisión de posicionamiento del elemento móvil (11) del mecanismo de orientación (C).
La calibración del mecanismo, se efectúa definiendo al menos tres marcadores sobre la mesa de operación que el elemento móvil (11) deberá alcanzar. El sistema de medición láser (33) mide la localización del elemento móvil (11) y correlaciona los puntos alcanzados con la ubicación de los marcadores predefinidos. En el elemento móvil del dispositivo de orientación se dispone de una unidad inercial (30) para que en lazo cerrado se corrija la orientación del mecanismo.
Sobre el elemento móvil (11) del dispositivo de orientación (C), se dispone de un sistema láser (37) el cual, una vez hallada la configuración deseada del mecanismo híbrido, apuntará al punto de inserción sobre el paciente.
Las Figuras 5 y 6 muestran el despiece en perspectiva de las articulaciones del mecanismo serial de posicionamiento de la muñeca. Las articulaciones se accionan mediante motores eléctricos (23a, 23b, 23c). La disposición de dichos motores se localiza en la base del mecanismo para concentrar la masa del mecanismo en la base. La transmisión del accionamiento se realiza mediante correas síncronas o sistema de polea mediante cable (21a, 21b). Los motores están dotados de un sistema sensorial los cuales permiten el control de los mismos.
Los elementos que conforman la estructura del robot híbrido se realizan en un metal ligero, preferiblemente de aluminio, con excepción de los elementos que permiten el movimiento relativo entre los elementos de la estructura (articulaciones), los cuales se realizan de un material duro y resistente, preferiblemente de acero. En particular, las articulaciones rotacionales están compuestas por ejes (19a, 19b, 19c, 19d, 19e) que reposan sobre rodamientos (22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f, 22g, 22h, 22i) para garantizar un movimiento sin fricción.
Las articulaciones esféricas se conforman mediante el acople de una articulación universal y una articulación rotacional dispuestas ortogonalmente.
Los motores de la estructura serial (23a, 23b, 23c) son eléctricos con potencia suficiente para poder posicionar la muñeca del mecanismo en el espacio. Los accionamientos lineales del mecanismo esférico serán realizados mediante un sistema biela-manivela, capaces de realizar las excursiones necesarias para lograr la orientación deseada del elemento móvil de dicha estructura.
En un primer eslabón (5) del robot están ensamblados los motores (23a, 23b, 23c), que mueven el primer eslabón (5), el segundo eslabón (7) y el tercer eslabón (9), con respecto a la base (3) del robot.
La transmisión del movimiento desde los motores (23a, 23c) hasta las articulaciones se realizará mediante sistemas de poleas sincronas (20a, 20b, 21a; 20c, 20d, 21b) preferiblemente con alma de acero. La transmisión del motor 23b actuará directamente sobre la articulación correspondiente.
El primer eslabón (5) es accionado por un primer motor (23a) que es acoplado a un primer eje (19a) que está apoyado en unos rodamientos (22a) y en su extremo está una primera polea dentada (20a) que transmite la rotación mediante una primera correa dentada (21a) a una segunda polea (20b) que se encuentra adosada a un segundo eje (19e) sobre el cual se produce el movimiento del eslabón (5).
El segundo eslabón (7) es accionado por un segundo motor (23b) que es acoplado a un tercer eje (19b) que está apoyado en rodamientos (22c) y que en su extremo está atornillado al eslabón (7).
El tercer eslabón (9) es accionado por un tercer motor (23c) acoplado a un cuarto eje (19c) que está apoyado en rodamientos (22d, 22e, 22f), el cual mediante una tercera (20c) y cuarta (20d) poleas y una segunda correa dentada (21b) que se acopla a un quinto eje (19d) adosado al tercer eslabón (9) y que está apoyado en rodamientos (22g, 22h, 22i), transmite el par de rotación del tercer motor (23c) al tercer eslabón (9). Sobre el eslabón (9) está ensamblado el mecanismo paralelo de cinemática esférica (C), preferentemente en la brida (24).
Cada actuador (23a, 23b, 23c) se puede programar y mover de manera independiente y coordinada a través de un sistema de control central compuesto por un ordenador donde se ejecuta el software de control
(1)
y la electrónica necesaria alojada en un gabinete (2).
El acoplamiento de la estructura serial de posicionamiento (B) y la estructura esférica de orientación
(C)
se realiza en el extremo distal (24) del mecanismo serial con el elemento base (10) del mecanismo esférico.
La Figura 7 muestra el despiece en perspectiva del mecanismo paralelo esférico (C), que dispone de tres accionamientos lineales. La Figura 8 muestra en detalle el despiece en perspectiva de cada
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accionamiento lineal. El accionamiento lineal se efectúa mediante un conjunto de mecanismos biela-manivela que son accionados cada uno por un motor (26), que mueve una manivela (27) que a su vez mueve una biela
(28)
que está articulada mediante la junta (29) con la barra (12) que se desliza linealmente sobre la guía (25), para conseguir un movimiento lineal.
Los movimientos del mecanismo paralelo esférico (C) se consigue al conectar la primera barra lineal
(12)
con la segunda barra (13) mediante juntas universales (14). La segunda barra (13) se conecta en su otro extremo al elemento móvil (11) mediante la junta esférica que es compuesta, y está formada por una junta universal (16) con rotación libre en el extremo que conecta con el elemento móvil (11).
El mecanismo paralelo (C) tiene movimientos esféricos gracias a que el centro del elemento móvil
(11)
está articulado a la base (10), mediante una unión esférica compuesta por una junta universal (17) y un pequeño acople (39) con rotación libre.
El dispositivo de guiado láser (37) está compuesto por un arreglo de tres láseres (37a,37b,37c) dispuesto a modo de abanico los cuales se emplean para indicar sobre el paciente el punto de inserción y la trayectoria de inserción. La selección del láser se realiza de manera automática y óptima dependiendo de la configuración del robot deseada. Además, la estructura del dispositivo láser hace a su vez de elemento encaje del dispositivo de acople (31).
La Figura 9 muestra una vista en perspectiva del acople y desacople del instrumental quirúrgico (32) con el elemento móvil (11) del mecanismo de orientación, mediante el dispositivo de acople (31) sobre la estructura del dispositivo láser (37). Dicho dispositivo de acople (31), que permite al instrumental quirúrgico acoplarse y desacoplarse del mecanismo de orientación para poder portarlo en la mano, posee una unidad inercial (38), para corregir en lazo cerrado el error de orientación del instrumento una vez que se ha desacoplado el instrumental quirúrgico del robot, indicando el ángulo correcto de inserción.
Una vez que el robot alcanza la posición y la orientación deseada, el instrumental quirúrgico (32) puede ser desacoplado del elemento móvil del mecanismo de orientación (11) separando el dispositivo de acople (31), y a su vez el sistema láser (37), señalará sobre el paciente el punto de inserción, indicando la trayectoria exacta a seguir durante el procedimiento de inserción.
El procedimiento de guiado del robot es el siguiente: se correlaciona los sistemas de referencia del sistema de imagen y el sistema de referencia del robot, siguiendo un protocolo de identificación de marcadores fijos sobre la camilla y/o el paciente. Dichos marcadores, deben ser alcanzados con el elemento móvil (11) del robot. La localización final del elemento móvil se obtiene con el sistema de medición láser (33) y mediante algoritmos de calibración se efectúan las correlaciones necesarias. A partir de las imágenes tomadas mediante algún método convencional (como puede ser la resonancia magnética, tomografía computada, ultrasonidos), se identifica y se planifica la trayectoria de inserción del instrumental, mediante la selección de los puntos denominados puntos de inserción y punto objetivo. A partir de las coordenadas cartesianas de los puntos de inserción (que se encuentra en la superficie del cuerpo del paciente) y punto objetivo (que se encuentra dentro del cuerpo del paciente) se define una recta de acción sobre la cual se realizará el guiado del instrumental. Se define una configuración adecuada del mecanismo híbrido sobre la línea de acción definida acorde a las necesidades de la tarea y de preferencias del especialista. El mecanismo adopta la postura seleccionada de manera controlada por computador, posicionando el instrumental sobre la recta de acción planificada con la orientación deseada.
La inserción del instrumental quirúrgico se puede llevar a cabo de manera activa o pasiva, dependiendo de la tarea a realizar. Durante el modo de inserción activa, es el robot quien controla el procedimiento de inserción. En cambio, durante una inserción pasiva, una vez que el robot ha alcanzado la posición y orientación correcta, el operario, desacopla el instrumental quirúrgico del robot e inicia el proceso de manera manual, pero guiado mediante el sistema láser ubicado en el elemento móvil del dispositivo de orientación y la unidad inercial ubicada en el dispositivo de acople.
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Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1- Robot de estructura cinemática híbrida para el guiado de la inserción de agujas, catéteres y elementos quirúrgicos para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva, caracterizado por que comprende:
    -
    un mecanismo paralelo esférico de orientación (C) que incorpora:
    • un elemento base (10);
    •
    un elemento móvil (11), con un sistema láser (37) para el guiado y una unidad inercial (30) para calibración;
    •
    una articulacion esferica (17) cuyo centro de rotación se corresponde con la muñeca del robot;
    •
    un dispositivo de acople (31) para permitir el acople y desacople del instrumental quirúrgico (32);
    estando dicho mecanismo de orientación (C) encargado de orientar al elemento móvil (11) con respecto al elemento base (10) en el espacio segun tres grados de libertad;
    -
    un mecanismo serial de posicionamiento (B) acoplado con el elemento base (10) del mecanismo de orientación (C), estando formado por una pluralidad de eslabones (5, 7, 9) en serie unidos entre sí mediante articulaciones rotativas (4, 6, 8) accionadas por actuadores (23a, 23b, 23c) para posicionar en el espacio, según tres grados de libertad, la articulación esférica (17) del mecanismo de orientacion (C);
    -
    una base (3), acoplada al mecanismo serial de posicionamiento (B), que permite anclar al robot sobre un soporte movil (A);
    -
    un soporte móvil (A), sobre el cual se ancla la base (3) del robot, y que dispone de un sistema de fijación (D) que permite acoplar el soporte móvil (A) a la camilla de operaciones (50).
    2- Robot de estructura cinemática híbrida según la reivindicación 1, caracterizado por que el elemento base (10) y el elemento móvil (11) del mecanismo de orientación (C) están unidos entre sí mediante:
    -
    una pluralidad de piernas móviles formadas por una primera barra (12) y una segunda barra (13) articuladas entre sí mediante una articulación esférica (14), estando los extremos de cada pierna vinculada al elemento móvil (11) mediante una articulación esférica (16) y al elemento base (10) mediante una articulación prismatica (15) actuada mediante un actuador (26);
    -
    una pierna fija (18) que vincula a ambos discos (10,11) mediante una articulación esférica (17) cuyo centro de rotación se corresponde con la muñeca del robot.
    3- Robot de estructura cinemática híbrida según la reivindicación anterior, caracterizado por que el mecanismo de orientación (C) dispone de tres accionamientos lineales de tipo biela-manivela (27,28) accionados cada uno por un motor (26), estando cada biela (28) articulada mediante una junta (29) con la primera barra (12) de cada pierna móvil configurada para deslizar linealmente sobre una guía (25) para conseguir así un movimiento lineal.
    4- Robot de estructura cinemática híbrida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el mecanismo serial de posicionamiento (B) comprende un primer (5), un segundo (7) y un tercer (9) eslabón y un primer (23a), un segundo (23b) y un tercer (23c) motor, estando el primer eslabón
    (5) acoplado a la base (3) del robot y los motores (23a, 23b, 23c) acoplados al primer eslabón (5).
    5- Robot de estructura cinemática híbrida según la reivindicación 4, caracterizado por que el primer eslabón (5) es accionado por el primer motor (23a) acoplado a un primer eje (19a) que está apoyado en unos rodamientos (22a) y en su extremo está una primera polea dentada (20a) que transmite la rotación mediante una primera correa dentada (21a) a una segunda polea (20b) que está adosado a un segundo eje (19e) sobre el cual se produce el movimiento del eslabón (5).
    6- Robot de estructura cinemática híbrida según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 5, caracterizado por que el segundo eslabón (7) es accionado por el segundo motor (23b) acoplado a un tercer eje (19b) que está apoyado en rodamientos (22c) y que en su extremo está atornillado a dicho segundo eslabón (7).
    ES 2 392 059 Al
    7- Robot de estructura cinemática híbrida según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado por que el tercer eslabón (9) es accionado por un tercer motor (23c) acoplado a un cuarto eje (19c), el cual mediante una tercera (20c) y cuarta (20d) poleas y una segunda correa dentada (21b) que se acopla a un quinto eje (19d) adosado al tercer eslabón (9) y que está apoyado en rodamientos (22g, 22h, 22i), transmite el par de rotación del tercer motor (23c) al tercer eslabón (9).
  2. 8. Robot de estructura cinemática híbrida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el mecanismo serial de posicionamiento (B) está acoplado en su extremo distal (24) con el elemento base (10) del mecanismo de orientación (C).
    9- Robot de estructura cinemática híbrida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un sistema de control (1,2) encargado de controlar los movimientos de las partes móviles del robot.
    10- Robot de estructura cinemática híbrida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un sistema de fijación (D) a la mesa de operación que dispone de unas guías de inserción (36) que se fija a la mesa de operación.
    11- Robot de estructura cinemática híbrida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de acople (31) del instrumental quirúrgico (32) es acoplable al elemento móvil (11) del mecanismo de orientación (C), disponiendo dicho dispositivo de acople (31) de una unidad inercial (38) para obtener el ángulo del instrumental quirúrgico (32) una vez que el instrumental quirúrgico (32) se haya desacoplado del elemento móvil del mecanismo de orientación.
    12- Robot de estructura cinemática híbrida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dispone de un dispositivo de medición láser (33) ubicado sobre la base del robot (3) y encargado de medir la posición del elemento móvil (11) del dispositivo de orientación (C), cuando se le indica al mecanismo híbrido que alcance a unos marcadores predefinidos sobre la camilla de operaciones (50).
    13- Robot de estructura cinemática híbrida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el sistema láser (37) del elemento móvil (11) comprende una pluralidad de punteros láser (37a,37b,27c) dispuestos en forma de abanico que sirve de guía para señalar el punto de inserción del dispositivo quirúrgico (32) sobre el paciente.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201132056
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 20.12.2011
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : A61B19/00 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    US 2011290061 A (RAJU) 01.12.2011, figuras 2-3A; párrafos 18-49. 1-13
    A
    US 2010331858 A (SIMAAN et al.) 30.12.2010, resumen. 1-13
    A
    CAN TANG et al. “Kinematics analysis for a hybrid robot in minimally invasive surgery”, Robotics and Biomimetics, 19.12.2009, USA, páginas 1941-1946. 1-13
    A
    YAN DIAO et al. “Configuration and Kinematic Analysis of a Novel Hybrid Surgical Robot with a Ball joint”, Intelligent Systems and Applications, 23.05.2009, USA, páginas 1-4. 1-13
    A
    Base de datos INSPEC/IEE, AN 11999282, YAN DIAO et al. “Kinematic Analysis of a New Hybrid Surgical Robot”, resumen. 1-13
    A
    Base de datos INSPEC/IEE, AN 10374047, TANG CAN et al. “Topological structure analysis for a hybrid robot in CT-guided minimally invasive surgery”, resumen. 1-13
    A
    SONG WANG et al. “Control simulation of a six DOF parallel-serial robot for femur fracture reduction”, Virtual Environments, Human Computer Interfaces and Measurements Systems, 11.05.2009, USA, páginas 330-335. 1-13
    A
    SABATER J M et al. “Design, modelling and implementation of a 6 URS parallel haptic device”, Robotics and Autonomous systems, 31.05.2004, NL, vol. 47, nº 1, páginas 1-10. 1-13
    A
    US 2010274078 A (KIM et al.) 28.10.2010, reivindicaciones. 1-13
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 20.11.2012
    Examinador A. Cárdenas Villar Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201132056
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) A61B Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, NPL, INSPEC, BIOSIS, MEDLINE
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201132056
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 20.11.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1 -13 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1 -13 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201132056
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 2011290061 A (RAJU) 01.12.2011
    D02
    US 2010331858 A (SIMAAN et al.) 30.12.2010
    D03
    CAN TANG et al. “Kinematics analysis for a hybrid robot in minimally invasive surgery”, Robotics and Biomimetics, 19.12.2009, USA, páginas 1941-1946.
    D04
    YAN DIAO et al. “Configuration and Kinematic Analysis of a Novel Hybrid Surgical Robot with a Ball joint”, Intelligent Systems and Applications, 23.05.2009, USA, páginas 1-4.
    D05
    Base de datos INSPEC/IEE, AN 11999282, YAN DIAO et al. “Kinematic Analysis of a New Hybrid Surgical Robot”, resumen.
    D06
    Base de datos INSPEC/IEE, AN 10374047, TANG CAN et al. “Topological structure analysis for a hybrid robot in CT-guided minimally invasive surgery”, resumen.
    D07
    SONG WANG et al. “Control simulation of a six DOF parallelserial robot for femur fracture reduction”, Virtual Environments, Human Computer Interfaces and Measurements Systems, 11.05.2009, USA, páginas 330-335.
    D08
    SABATER J M et al. “Design, modelling and implementation of a 6 URS parallel haptic device”, Robotics and Autonomous systems, 31.05.2004, NL, vol. 47, nº 1, páginas 1-10.
    D09
    US 2010274078 A (KIM et al.) 28.10.2010
  3. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    La solicitud de patente en estudio tiene una reivindicación independiente, la nº 1, que se refiere a un robot de estructura cinemática híbrida para procedimientos de cirugía mínimamente invasiva que consiste en un mecanismo paralelo esférico de orientación (que proporciona tres grados de libertad), un mecanismo serial de posicionamiento (que proporciona otros tres grados de libertad), una base y un soporte móvil. En esta reivindicación se incluyen los principales componentes tanto del mecanismo paralelo como del serial. Las reivindicaciones dependientes 2 – 13 se refieren a dispositivos de unión, fijación, accionamiento, control y medición y a sus correspondientes características. Las características técnicas que reivindica el sistema están orientadas al efecto técnico de guiado e inserción de agujas y catéteres de manera exacta en procedimientos de cirugía mínimamente invasiva. Existen diferentes documentos en el estado de la técnica (D01 – D06) que describen sistemas robóticos de estructura híbrida. El documento D01 describe un manipulador robótico para mover objetos, de aplicación en un entorno diferente al robot objeto de la invención, que también presenta una estructura híbrida serial-paralela de seis grados de libertad (ver figuras 2 – 3A) aunque las características técnicas y la configuración de los diferentes componentes no permiten conseguir el mismo efecto técnico. El documento D02 describe un sistema robótico de aplicación en microcirugía formado por un robot maestro y un robot esclavo; dicho robot esclavo tiene estructura híbrida y está compuesto por, al menos, un brazo robótico que consta de un componente paralelo y otro serial. El documento D03 se ocupa del análisis de la cinemática de un robot híbrido de siete grados de libertad destinado a la cirugía mínimamente invasiva. Su estructura serial aporta tres grados de libertad y su estructura paralela cuatro. Presenta un procedimiento para obtener un modelo de la cinemática, basado en la Teoría Spinor, que permite calcular los desplazamientos articulares del robot híbrido. El documento D04 presenta un análisis de la configuración de un robot híbrido quirúrgico con una articulación esférica que utiliza el método Denavit-Hartenberg combinado con transformaciones rotacionales para construir el modelo matemático para el análisis de la cinemática del sistema. De los mismos autores que el anterior, el documento D05 presenta el análisis de la cinemática de un robot híbrido para cirugía de ochos grados de libertad, con una parte serial de seis grados y un mecanismo de rotación paralelo de dos. El documento D06 se ocupa del análisis de la estructura topológica de un robot híbrido de utilización en cirugía mínimamente invasiva guiada por CT. Aunque los documentos arriba mencionados describen numerosos aspectos relacionados con sistemas robóticos de estructura híbrida, algunos de ellos orientados a procedimientos de cirugía de mínima invasión, se considera que las características técnicas y la configuración de estos sistemas no son iguales y no consiguen el mismo efecto técnico que la solicitud en estudio y que las reivindicaciones de dicha solicitud presentan novedad y actividad inventiva según lo especificado en los artículos 6 y 8 de la Ley de Patentes. Otros aspectos de interés en el estado de la técnica robótica se pueden encontrar en los documentos D07 – D09
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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