ES2964307T3 - Dispositivo quirúrgico de realidad virtual - Google Patents

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ES2964307T3 ES15788948T ES15788948T ES2964307T3 ES 2964307 T3 ES2964307 T3 ES 2964307T3 ES 15788948 T ES15788948 T ES 15788948T ES 15788948 T ES15788948 T ES 15788948T ES 2964307 T3 ES2964307 T3 ES 2964307T3
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robotic
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English (en)
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Adam Sachs
Sammy Khalifa
Barry Stuart Greene
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Original Assignee
Vicarious Surgical Inc
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Abstract

Un sistema para uso en cirugía incluye un cuerpo central, un sistema de visualización conectado operativamente al cuerpo central, un sistema de representación de vídeo, una pantalla montada en la cabeza para visualizar imágenes del sistema de representación de vídeo, un sistema de sensores y un dispositivo robótico conectado operativamente. al cuerpo central. El sistema de visualización incluye al menos una cámara y un sistema de giro y/o un sistema de inclinación. El sistema de sensores sigue la posición y/o la orientación en el espacio de la pantalla montada en la cabeza con respecto a un punto de referencia. El sistema de giro y/o el sistema de inclinación están configurados para ajustar el campo de visión de la cámara en respuesta a la información del sistema sensor sobre cambios en al menos una de las posiciones y orientación en el espacio de la pantalla montada en la cabeza con respecto a la referencia. punto. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo quirúrgico de realidad virtual
Antecedentes
Campo de la invención
Esta solicitud se refiere generalmente a cirugía mínimamente invasiva y a sistemas de realidad virtual.
Descripción de la técnica relacionada
Desde sus inicios a principios de la década de 1990, el campo de la cirugía mínimamente invasiva ha crecido rápidamente. Si bien la cirugía mínimamente invasiva mejora enormemente los resultados del paciente, esta mejora tiene un coste para la capacidad del cirujano para operar con precisión y facilidad. Durante la laparoscopia, el cirujano debe insertar instrumentos laparoscópicos a través de una pequeña incisión en la pared abdominal del paciente. La naturaleza de la inserción de la herramienta a través de la pared abdominal limita el movimiento de los instrumentos laparoscópicos ya que los instrumentos laparoscópicos no pueden moverse de lado a lado sin dañar la pared abdominal. Los instrumentos laparoscópicos estándar están limitados a cuatro ejes de movimiento. Estos cuatro ejes de movimiento son el movimiento del instrumento dentro y fuera del trocar (eje 1), el giro del instrumento dentro del trocar (eje 2) y el movimiento angular del trocar en dos planos mientras se mantiene el punto de pivote de la entrada del trocar a la cavidad abdominal (ejes 3 y 4). Durante más de dos décadas, la mayoría de las cirugías mínimamente invasivas se han realizado sólo con estos cuatro grados de movimiento.
Los dispositivos quirúrgicos robóticos existentes intentaron resolver muchos de estos problemas. Algunos dispositivos quirúrgicos robóticos existentes replican la cirugía laparoscópica no robótica con grados de libertad adicionales en el extremo del instrumento. Sin embargo, incluso con muchos cambios costosos en el procedimiento quirúrgico, los dispositivos quirúrgicos robóticos existentes no han logrado proporcionar mejores resultados para los pacientes en la mayoría de los procedimientos para los que se utilizan. Además, los dispositivos robóticos existentes crean una mayor separación entre el cirujano y los efectores terminales quirúrgicos. Esta mayor separación provoca lesiones resultantes de la mala comprensión por parte del cirujano del movimiento y la fuerza aplicada por el dispositivo robótico. Debido a que los grados de libertad de muchos dispositivos robóticos existentes no son familiares para un operador humano, los cirujanos deben entrenarse exhaustivamente en simuladores robóticos antes de operar a un paciente para minimizar la probabilidad de causar lesiones inadvertidas.
Para controlar los dispositivos robóticos existentes, un cirujano se sienta frente a una consola y controla los manipuladores con sus manos y sus pies. Adicionalmente, las cámaras robóticas permanecen en una ubicación semifija y el cirujano las mueve mediante un movimiento combinado de pie y mano. Estas cámaras semifijas con campos de visión limitados dificultan la visualización del campo de operación.
Otros dispositivos robóticos tienen dos manipuladores robóticos insertados a través de una única incisión. Estos dispositivos reducen el número de incisiones requeridas a una sola incisión, a menudo en el ombligo. Sin embargo, los dispositivos robóticos de incisión única existentes tienen importantes deficiencias derivadas del diseño de su actuador. Los dispositivos robóticos de incisión única existentes incluyen servomotores, codificadores, cajas de engranajes y todos los demás dispositivos de accionamiento dentro del robotin vivo.Esta decisión de incluir los motores y las cajas de cambios dentro del cuerpo del paciente ha dado como resultado robots grandes con capacidad limitada. Un robot tan grande debe insertarse a través de una incisión grande, lo que aumenta el riesgo de hernia, riesgo de infección, dolor y morbilidad general. El tamaño de la incisión requerida para algunos dispositivos existentes es de entre 3,8 y 5,1 cm (1,5 y 2 pulgadas), un tamaño de incisión similar a la cirugía abierta. Además, es poco probable que el tamaño de estos dispositivos disminuya significativamente debido a la inclusión de motores, engranajes, etc. dentro de los dispositivosin vivo.Este mayor tamaño de incisión da como resultado un daño significativamente mayor al paciente y reduce enormemente la practicidad de los dispositivos existentes.
Los dispositivos de incisión única existentes también tienen grados de libertad limitados. Algunos de estos grados de libertad no son intuitivos para un ser humano, por ejemplo, el alargamiento del brazo durante un procedimiento. Estos grados de libertad requieren una interfaz de usuario donde el cirujano debe realizar movimientos aprendidos no intuitivos similares a los movimientos de los dispositivos de múltiples incisiones existentes.
Robótica similar a un humano
Algunas personas han sugerido previamente la idea de una robótica quirúrgica diseñada para replicar los grados de libertad de un brazo humano. Sin embargo, todos los diseños existentes incluyen cajas de cambios y trenes de engranajes extraordinariamente complejos, todos colocados dentro de los brazos robóticos. Como resultado de estas cajas de cambios y trenes de engranajes, los brazos similares a los humanos existentes son difíciles de fabricar, de gran tamaño y de baja velocidad. Además, ningún inventor anterior de la robótica similar a un humano describe interfaces hombre-máquina diseñadas para aprovechar plenamente las ventajas de la robótica similar a un humano. Sin una interfaz hombre-máquina adecuada, un brazo humano ofrece poca o ninguna ventaja sobre diseños robóticos alternativos.
El estado de la técnica relevante se puede encontrar en los documentos US 5876325 A, WO 2010/067267 A1, WO 2013/187136 A1, US 2006/199999 A1, US 2010/160929 A1, WO 2012/166806 A1, US 2008/147090 A1 y US 2012/209314 A1.
Breve resumen de la invención
La invención incluye un sistema para uso en cirugía que comprende las características descritas en la reivindicación independiente 1 adjunta. El sistema quirúrgico también puede comprender una segunda cámara. En el sistema quirúrgico que comprende dos cámaras, las imágenes generadas por el sistema de renderizado de vídeo también pueden comprender imágenes estereoscópicas basadas en información de la primera y segunda cámaras.
El sistema quirúrgico también puede comprender una pluralidad de cámaras. En el sistema quirúrgico que comprende una pluralidad de cámaras, el sistema de renderizado de vídeo también puede generar imágenes basándose en el entrelazado de software de información de señal de la pluralidad de cámaras.
El sistema quirúrgico comprende al menos un sensor para medir al menos una de, la posición y orientación de la cámara. El sistema quirúrgico que comprende dos cámaras, en una configuración de inserción, las dimensiones de la sección transversal del sistema de visualización en un plano normal a un eje de inserción son menores que una distancia central entre la primera cámara y la segunda cámara a lo largo del eje de inserción.
El dispositivo robótico del sistema quirúrgico comprende un primer actuador giratorio para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico y un primer actuador articulado para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al primer actuador giratorio. El dispositivo robótico puede comprender además un actuador de posición para cambiar la posición del dispositivo robótico con respecto al cuerpo central de manera que el dispositivo robótico pueda usarse en un primer lado o en un segundo lado del cuerpo central.
El dispositivo robótico del sistema quirúrgico comprende un primer actuador giratorio para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico, un primer actuador articulado para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al primer actuador giratorio, un segundo actuador giratorio para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al primer actuador articulado, un segundo actuador articulado para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al segundo actuador giratorio, un tercer actuador giratorio para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al segundo actuador articulado, un tercer actuador articulado para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al tercer actuador giratorio y un efector terminal quirúrgico acoplado operativamente al tercer actuador articulado.
En otros modos de realización más, el sistema quirúrgico puede comprender además un segundo dispositivo robótico que comprende un cuarto actuador giratorio para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico, un cuarto actuador articulado para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al cuarto actuador giratorio, un quinto actuador giratorio para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al cuarto actuador articulado, un quinto actuador articulado para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al quinto actuador giratorio, un sexto actuador giratorio para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al quinto actuador articulado para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico, un sexto actuador articulado para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al sexto actuador giratorio y un efector terminal quirúrgico acoplado operativamente al sexto actuador articulado.
En otro aspecto, la invención incluye un dispositivo quirúrgico robótico que comprende un primer actuador giratorio accionado por cable para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico, un primer actuador articulado accionado por cable para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al primer actuador giratorio accionado por cable, un segundo actuador giratorio accionado por cable para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al primer actuador articulado accionado por cable, un segundo actuador articulado accionado por cable para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al segundo actuador giratorio accionado por cable, un tercer actuador giratorio accionado por cable para girar una porción del dispositivo robótico con respecto a otra porción del dispositivo robótico acoplado operativamente al segundo actuador articulado accionado por cable para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción del dispositivo robótico, un tercer actuador articulado accionado por cable para cambiar el ángulo entre una porción del dispositivo robótico y otra porción accionada por cable del dispositivo robótico acoplada operativamente al tercer actuador giratorio y un efector terminal quirúrgico acoplado operativamente al tercer actuador articulado accionado por cable. En algunos modos de realización, el dispositivo robótico se coloca parcialmente dentro del cuerpo de un paciente. En otros modos de realización, el dispositivo robótico se coloca completamente dentro del cuerpo de un paciente.
En otro aspecto más, la invención incluye un actuador robótico que comprende, un primer cuerpo que comprende un componente de conexión proximal que acopla el actuador robótico a sistemas proximales y una primera superficie de rodamiento, un segundo cuerpo que comprende un componente de conexión distal que acopla el actuador robótico a sistemas distales y una segunda superficie de rodamiento que forma una apoyo con la primera superficie de rodamiento mediante la cual el apoyo limita el movimiento del primer cuerpo con respecto al movimiento del segundo cuerpo en al menos un grado de libertad, una polea o cabrestante acoplado operativamente con el primer cuerpo o el segundo cuerpo, un cable actuador configurado para accionar la polea o cabrestante y al menos una superficie contorneada definida por el actuador robótico y que forma un recorrido contorneado para permitir que una pluralidad de cables adicionales pasen a través del recorrido desde sistemas acoplados al componente de conexión proximal a sistemas acoplados al componente de conexión distal en los que la forma y la posición del recorrido son tales que las longitudes de los cables adicionales permanecen sustancialmente constantes durante sustancialmente todo el rango de movimiento para el cual se utiliza el actuador robótico.
Un modo de realización también incluye un actuador robótico que comprende, un primer cuerpo que comprende un componente de conexión proximal, un segundo cuerpo que comprende un componente de conexión distal, un sistema de rodamientos que limita el movimiento del primer cuerpo con respecto al segundo cuerpo en todos los grados de libertad excepto el giro alrededor de un eje perpendicular al eje distal-proximal del actuador robótico, una polea o cabrestante acoplado operativamente con el primer cuerpo o el segundo cuerpo, un cable actuador configurado para accionar la polea o cabrestante y al menos una superficie contorneada definida por el actuador robótico y que forma un recorrido contorneado para permitir que una pluralidad de cables adicionales pasen a través del recorrido desde sistemas acoplados al componente de conexión proximal hasta sistemas acoplados al componente de conexión distal en donde una forma y una posición del recorrido es tal que las longitudes de los cables adicionales permanecen sustancialmente constantes durante sustancialmente todo el rango de movimiento para el cual se utiliza el actuador robótico.
Un modo de realización también incluye un actuador robótico que comprende, un primer cuerpo que comprende un componente de conexión proximal, un segundo cuerpo que comprende un componente de conexión distal, un sistema de rodamientos que limita el movimiento del primer cuerpo con respecto al segundo cuerpo en todos los grados de libertad excepto el giro alrededor del eje distal-proximal del actuador robótico, una polea o cabrestante acoplado operativamente con el primer cuerpo o el segundo cuerpo, un cable actuador configurado para accionar la polea o cabrestante y un agujero definido por el actuador robótico con un diámetro interior de al menos tres veces el diámetro del cable actuador configurado de manera que cables adicionales puedan pasar a través del agujero desde sistemas acoplados al componente de conexión proximal a sistemas acoplados al componente de conexión distal en donde una forma y una posición del agujero es tal que las longitudes de los cables adicionales permanecen sustancialmente constantes durante sustancialmente todo el rango de movimiento para el cual se utiliza el actuador robótico.
Un aspecto adicional de la invención incluye una pinza de agarre quirúrgica que comprende un cuerpo de pinza de agarre principal, una primera mordaza de pinza de agarre acoplada operativamente al cuerpo de pinza de agarre, una segunda mordaza de pinza de agarre acoplada operativamente al cuerpo de pinza de agarre, un cable de accionamiento y un mecanismo de enlace que se acopla al menos una de la primera mordaza de pinza de agarre y la segunda mordaza de pinza de agarre con el cable de accionamiento en el que el enlace proporciona un movimiento no lineal del extremo distal de la primera mordaza de pinza de agarre o la segunda mordaza de pinza de agarre en respuesta al movimiento del cable de accionamiento. La pinza de agarre quirúrgica puede comprender además un medidor de tensión fijado a al menos uno del cuerpo principal de la pinza de agarre, la primera mordaza de pinza de agarre, la segunda mordaza de pinza de agarre, el cable de accionamiento y el mecanismo de enlace mediante el cual la tensión medida por el medidor de tensión puede usarse para calcular la fuerza entre el extremo distal de la primera mordaza de pinza de agarre y el extremo distal de la segunda mordaza de pinza de agarre. En otro modo de realización, la pinza de agarre quirúrgica puede comprender además al menos uno de un resorte acoplado operativamente con al menos una de la primera mordaza de pinza de agarre y la segunda mordaza de pinza de agarre. En otro modo de realización, la pinza de agarre quirúrgica puede comprender además al menos uno de bucles de control de software y hardware para controlar al menos una de la fuerza de las mordazas de pinza de agarre y la posición de las mordazas de pinza de agarre. En otro modo de realización, la pinza de agarre quirúrgica puede comprender además al menos uno de un servomotor acoplado operativamente con el cable de accionamiento. En otro modo de realización, la pinza de agarre quirúrgica puede comprender además al menos uno de un sensor de posición mediante el cual el sensor de posición mide la posición de al menos una de la primera mordaza de pinza de agarre y la segunda mordaza de pinza de agarre.
La pinza de agarre quirúrgica puede comprender además un dispositivo para proporcionar retroalimentación háptica mediante el cual la fuerza calculada se usa para determinar la fuerza de retroalimentación háptica.
Breve descripción de las figuras
Se ha de observar que los elementos entumecidos siguen siendo consistentes en todas las figuras. Los elementos numerados con el mismo número son el mismo artículo o copias idénticas del artículo. Los elementos numerados con números diferentes son partes de diseño diferente o, en ocasiones, partes idénticas que sirven para diferentes propósitos.
La figura 1A es una vista isométrica frontal de un modo de realización de un dispositivo quirúrgico robótico de dos brazos configurado para su uso.
La figura 1B es una vista isométrica trasera de un modo de realización de un dispositivo quirúrgico robótico de dos brazos configurado para su uso.
La figura 2A es una vista isométrica despiezada del brazo derecho de un dispositivo quirúrgico robótico en un modo de realización.
La figura 2B es un diagrama de un modo de realización de un dispositivo quirúrgico robótico de dos brazos con primeros actuadores orientados en una primera posición.
La figura 2C es un diagrama de un modo de realización de un dispositivo quirúrgico robótico de dos brazos con primeros actuadores orientados en una segunda posición.
La figura 3A es una vista isométrica de un modo de realización de un dispositivo quirúrgico robótico de dos brazos configurado para la inserción a través de un trocar.
La figura 3B es una vista isométrica de un trocar con un dispositivo quirúrgico robótico de dos brazos completamente insertado según un modo de realización.
La figura 3C es un diagrama de un trocar con una funda interior en un modo de realización.
La figura 3D es un diagrama de un modo de realización de un trocar que muestra un lumen patente.
La figura 4 es una vista isométrica de un modo de realización alternativo que muestra el cuerpo de inserción.
La figura 5A es una vista isométrica de la funda de trocar con una cámara según un modo de realización.
La figura 5B es una vista isométrica de la funda del trocar con la cámara durante la inserción a través del trocar según un modo de realización.
La figura 5C es una vista isométrica de la funda de trocar con la cámara colocada durante el uso según un modo de realización.
La figura 6A es una vista frontal de la cámara configurada para su uso según un modo de realización.
La figura 6B es una vista frontal de la cámara configurada para su inserción en el abdomen según un modo de realización.
La figura 7A es una vista isométrica del componente de conexión central según un modo de realización.
La figura 7B es una vista despiezada de la vista frontal del componente de conexión central según un modo de realización.
La figura 7C es una vista despiezada de la vista posterior del componente de conexión central según un modo de realización.
La figura 8A es una vista isométrica del actuador articulado según un modo de realización.
La figura 8B es una vista despiezada del actuador articulado según un modo de realización.
La figura 9A es un diagrama de un modo de realización de una sección del actuador articulado accionado a 0 grados. La figura 9B es un diagrama de un modo de realización de una sección del actuador articulado accionado a 30 grados. La figura 10A es una vista lateral del primer lado del actuador giratorio según un modo de realización.
La figura 10B es una vista lateral del segundo lado del actuador giratorio según un modo de realización.
La figura 10C es una vista despiezada del actuador giratorio según un modo de realización.
La figura 10D es una vista en sección del actuador giratorio según un modo de realización.
La figura 11A es una vista isométrica de una pinza de agarre según un modo de realización.
La figura 11B es una vista despiezada de la pinza de agarre según un modo de realización.
La figura 11C es una sección de la pinza de agarre mientras está cerrada, según un modo de realización.
La figura 11D es una sección de la pinza de agarre mientras está abierta, según un modo de realización.
La figura 12A es un diagrama que muestra la apertura de la pinza de agarre según un modo de realización.
La figura 12B es un diagrama que muestra el cierre de la pinza de agarre según un modo de realización.
La figura 13 es una vista isométrica de un segmento de extensión según un modo de realización.
La figura 14A es una vista isométrica de un sistema quirúrgico robótico de cuatro brazos según un modo de realización. La figura 14B es una vista isométrica de un trocar quirúrgico robótico de cuatro brazos según un modo de realización. La figura 15 es un diagrama que muestra la colocación de sensores MEMS en un usuario que usa un casco de realidad virtual según un modo de realización.
La figura 16 es un diagrama de bloques de un modo de realización del sistema robótico de realidad virtual.
La figura 17 es una vista frontal de un dispositivo con robótica y sistema de cámara separados según un modo de realización.
Descripción detallada
Aunque el presente sistema está diseñado para que lo utilice un cirujano dentro de la cavidad abdominal, son posibles muchos usos alternativos del dispositivo. Por ejemplo, un usuario podría ser un asistente médico, una enfermera, un asistente quirúrgico o cualquier otro personal quirúrgico. Además, el dispositivo podría disponerse dentro de cualquier parte del cuerpo de un paciente y los modos de realización futuros podrían diseñarse para que sean mucho más pequeños para permitir su uso dentro de áreas más pequeñas del cuerpo de un paciente. Se podrían fabricar dispositivos tanto más pequeños como más grandes para su uso en áreas como los senos paranasales, el colon, el estómago o cualquier otra área del cuerpo humano. La microfabricación utilizando MEMS u otros medios podría permitir que un dispositivo se pueda colocar en áreas extremadamente pequeñas, como los vasos sanguíneos humanos. Alternativamente, el sistema podría usarse para obtener una excelente destreza y visualización incluso durante procedimientos abiertos con el dispositivo colocado parcial o totalmente en el exterior del cuerpo humano.
En otros modos de realización, el dispositivo se utiliza para tareas no quirúrgicas o no médicas tales como microfabricación, montaje de partes, desactivación de bombas o cualquier otra tarea que requiera habilidades motoras precisas. Se podrían fabricar modos de realización alternativos del dispositivo con brazos del tamaño de un humano o incluso más grandes que la vida real, lo que permitiría a los humanos realizar tareas para las que son demasiado pequeños, demasiado débiles o de otro modo incapaces. Obviamente, en dichos modos de realización, el usuario puede no ser necesariamente un cirujano.
A continuación se definen las palabras utilizadas en la descripción detallada y las reivindicaciones:
Cirujano: un usuario del dispositivo.
Cavidad abdominal: cualquier área cerrada o semicerrada en la que se inserta el dispositivo.
Pared abdominal: pared que encierra parcial o totalmente la cavidad abdominal mencionada anteriormente.
Trocar: tubo para la inserción del dispositivo a través de la pared abdominal mencionada anteriormente.
Distal: más cerca del efector terminal de un brazo robótico
Proximal: más lejos del efector terminal de un brazo robótico
Diseño del dispositivo general
La figura 1A muestra una vista isométrica de un modo de realización de nuestro dispositivo dispuesto dentro de la cavidad abdominal del paciente. Este dispositivo comprende un conducto 100 conectado a un cuerpo 101 central. El cuerpo central está dispuesto dentro del abdomen de un paciente. El conducto está compuesto por un tubo hueco que atraviesa la pared abdominal, llevando por tanto energía, señal, cables de control, irrigación, vacío y cualquier otro sistema desde sistemas externos al cuerpo del paciente hasta el interior del cuerpo del paciente. En algunos modos de realización, el conducto 100 incluye múltiples lúmenes para separar varios sistemas y cables y para proporcionar canales de fluido independientes. En otros modos de realización, el conducto comprende múltiples segmentos entrelazados de modo que el conducto es flexible mientras todos los cables de control están flojos, pero se vuelve rígido cuando se aplica tensión a los cables de control dentro del conducto. Este diseño funcionaría de manera similar al poste de soporte de una tienda de campaña con segmentos entrelazados unidos por un cable. Cuando el cable se tensa y los segmentos se juntan, forman un poste rígido. En otro modo de realización más, el conducto es un tubo rígido doblado en una forma no lineal.
La figura 1A muestra además un brazo 103 robótico derecho y un brazo 104 robótico izquierdo fijados al cuerpo 101 central. Cada uno de estos brazos robóticos comprende múltiples actuadores conectados para formar un brazo robótico similar al de un humano. Los actuadores de cada brazo robótico se montan para formar un hombro 105 robótico, un codo 106 robótico, una muñeca 107 robótica y un efector 109 terminal quirúrgico.
La figura 1B muestra un conjunto 102 de cámara unido al cuerpo 101 central. Este cuerpo de cámara está situado de manera que esté situado aproximadamente en el centro entre los hombros 105 robóticos y ligeramente por encima de los hombros robóticos. El cuerpo de cámara está situado de manera que la siguiente proporción siga siendo válida.
distancia horizontal entre hombros humanos
distancia vertical entre hombros humanos y ojos humanos
_______distancia horizontal entre hombros robóticos_______________aproximadamente igual
distancia vertical entre hombros robóticos y conjunto de cámara
Si bien esta proporción para los humanos típicos es aproximadamente igual a 2, se entiende que la proporción puede variar de persona a persona. En un modo de realización, el dispositivo se puede fabricar para que coincida exactamente con la proporción del cirujano, mientras que en otro modo de realización se mantiene una proporción general a aproximadamente las proporciones del cirujano típico. En otro modo de realización, la proporción es ajustable durante el uso o antes de la inserción en el paciente. Alternativamente, la proporción puede aumentarse intencionadamente para reducir la altura vertical total del dispositivo durante el uso. Esta reducción sirve para aumentar el área de trabajo dentro de la cavidad abdominal del paciente. Para una máxima versatilidad de los dispositivos iniciales, se diseña un modo de realización con una proporción de aproximadamente 4, comprometiendo cierta sensación similar a la de un humano para una mayor versatilidad del dispositivo. Se plantea la hipótesis de que los dispositivos con una proporción entre 1 y 4 conservarán una visión suficientemente similar a la de un humano para el cirujano.
Con la proporción anterior, el conjunto de la cámara se coloca en una posición que proporciona una vista natural, similar a la de un humano, de los brazos robóticos. En un modo de realización alternativo del dispositivo con un solo brazo robótico similar al de un humano, la cámara todavía está colocada de manera que mantenga una perspectiva similar a la de un humano sobre el brazo. Adicionalmente, en otro modo de realización alternativo, la cámara se mueve hacia adelante de manera que el plano formado por el conjunto 102 de cámara y los dos hombros 105 robóticos sea perpendicular al plano formado por el cuerpo 101 central y los dos hombros robóticos. Alternativamente, el zum de la cámara puede darle al usuario la impresión de una cámara que se ha colocado más hacia adelante o los actuadores podrían darle al cuerpo de cámara la capacidad de avanzar durante un procedimiento.
En otros modos de realización, cualquiera de los brazos 103 robóticos derecho, el brazo 104 robótico izquierdo y el conjunto 102 de cámara no están unidos al cuerpo 101 central. En estos modos de realización, los componentes individuales del sistema se insertan por separado en la cavidad abdominal del paciente. Estos componentes se pueden insertar a través de un solo trocar o a través de muchos trocares. Los componentes pueden montarse dentro de la cavidad abdominal. Alternativamente, los componentes pueden permanecer separados, pero situados de manera que la robótica similar a un humano funcione al unísono con la visualización natural de apariencia humana. Uno de dichos modos de realización incluye un sistema de cámara insertado por separado y soportado por su propio conducto 234 como se muestra en la figura 17.
Diseño de brazo robótico
La figura 2A muestra una vista isométrica del brazo 103 robótico derecho (figura 1A). Este brazo se compone de múltiples articulaciones robóticas. Un primer actuador 110 (figura 2A) está conectado al cuerpo 101 central (figura 1A). En un modo de realización, el primer actuador sirve para permitir que el cirujano opere en cualquier lado del dispositivo y para enderezar el dispositivo para su inserción y retirada de la cavidad abdominal. La figura 2b muestra los primeros actuadores de los brazos izquierdo y derecho orientados de manera que los brazos robóticos estén situados para operar en un lado del dispositivo. De manera similar, la figura 2C muestra los primeros actuadores del brazo izquierdo y derecho orientados de manera que los brazos quirúrgicos estén situados para operar en el segundo lado del dispositivo. Cuando se opera en el segundo lado del dispositivo, el brazo derecho se convierte en el brazo izquierdo y el brazo izquierdo se convierte en el brazo derecho. Este cambio se realiza en el software que controla el dispositivo.
Adicionalmente, el conjunto 102 de cámara (figura 1A) puede bascular más de 180 grados. Este rango de movimiento permite al cirujano colocar el dispositivo en cualquier lugar de la cavidad abdominal del paciente y ver el abdomen desde cualquier orientación. Por ejemplo, para operar la vesícula biliar de un paciente, un cirujano podría colocar el dispositivo a la izquierda del paciente y orientar los brazos y la cámara mirando hacia la derecha del paciente. Alternativamente, para una operación en el estómago, un cirujano podría colocar el dispositivo a la derecha del paciente orientando los brazos y la cámara mirando hacia la izquierda del paciente. Esta versatilidad permite utilizar un dispositivo para muchos procedimientos diferentes.
La figura 2A muestra adicionalmente un segundo actuador 111 conectado al primer actuador 110 y un tercer actuador 112 conectado al segundo actuador. El segundo actuador proporciona un accionamiento giratorio alrededor del eje a lo largo del centro del brazo. El tercer actuador proporciona un accionamiento articulado con giro alrededor de un eje perpendicular al eje del segundo actuador. Juntos, el segundo y tercer actuadores proporcionan el hombro 105 robótico (figura 1A) con dos grados de libertad que imitan los de la articulación de rótula del hombro humano. Estos grados de movimiento imitan la abducción/aducción del hombro humano y la flexión/extensión del brazo humano. En modos de realización alternativos otros tipos de actuadores pueden permitir grados de libertad de hombro, incluidos actuadores de articulación de rótula.
La figura 2A muestra adicionalmente un cuarto actuador 113 y un quinto actuador 114. El cuarto actuador conecta el tercer y quinto actuadores y proporciona un accionamiento giratorio alrededor del eje a lo largo del centro del brazo. El accionamiento giratorio del cuarto actuador imita el movimiento de giro hacia afuera/adentro del brazo humano. El quinto actuador se conecta al cuarto actuador y forma el codo 106 robótico (figura 1A). El quinto actuador proporciona un accionamiento articulado con giro alrededor de un eje perpendicular al eje del cuarto actuador. El actuador articulado del quinto actuador imita el movimiento de flexión/extensión del codo humano.
La figura 2A muestra adicionalmente un sexto actuador 115 y un séptimo actuador 116. El sexto actuador conecta el quinto y séptimo actuadores y proporciona un accionamiento giratorio alrededor del eje a lo largo del centro del brazo. El accionamiento giratorio del sexto actuador imita el movimiento de supinación/pronación de la palma humana. El séptimo actuador se conecta al sexto actuador y forma la muñeca robótica. El séptimo actuador proporciona un accionamiento articulado con giro alrededor de un eje perpendicular al eje del sexto actuador. El actuador articulado del séptimo actuador imita el movimiento de extensión y flexión de la muñeca. Un efector 109 terminal quirúrgico está conectado al séptimo actuador. En un modo de realización, el efector terminal quirúrgico proporciona al cirujano una pinza de agarre robótica con movimiento similar a un pellizco del dedo pulgar y del dedo índice (primer y segundo dígitos).
Con la combinación de actuadores descrita anteriormente, el brazo robótico tiene grados de libertad que imitan los de un brazo humano. Por tanto, el brazo es capaz de replicar los movimientos del brazo humano casi exactamente. El diseño específico de los actuadores giratorios y de codo, como se describe a continuación, permite que este brazo robótico con muchos grados de libertad imite el movimiento humano y se ajuste a través de un trocar estándar de 12 mm.
En un modo de realización, el actuador giratorio no proporciona un giro continuo sin límites. Por tanto, el brazo no puede imitar perfectamente todos los movimientos del hombro humano sin límites. Ciertos movimientos, cuando se repiten varias veces, provocarían que el segundo actuador alcanzara su límite estricto. Para superar esta limitación, los algoritmos de control por ordenador limitan el movimiento de la articulación del hombro en un modo de realización de manera que no se requiere un giro continuo. El software impide que el cirujano mueva el codo robótico más allá de un plano imaginario. Nunca se requiere un giro continuo siempre que el plano imaginario esté colocado para cada brazo robótico de manera que el eje de cada segundo actuador sea coincidente con el plano de su brazo respectivo. Este plano puede orientarse de forma diferente dependiendo de las necesidades de cada cirugía. Por ejemplo, cuando se opera completamente por debajo del dispositivo, los planos de ambos brazos pueden ser paralelos al suelo, de modo que los codos robóticos nunca pasen por encima de la altura de los hombros robóticos. Alternativamente, para una cirugía delante del dispositivo, los planos pueden colocarse perpendiculares al suelo.
En un modo de realización, el dispositivo robótico no incluye un grado de libertad que imite la desviación radial/cubital. Si bien un brazo humano tiene este grado de libertad, nuestra experimentación ha descubierto que el grado de libertad no es crítico para el funcionamiento del dispositivo. Sin embargo, un modo de realización alternativo del dispositivo prevé este grado de libertad.
Inserción y retirada del dispositivo
La figura 3A muestra un modo de realización de un dispositivo quirúrgico robótico de dos brazos configurado para su inserción y retirada en la cavidad abdominal del paciente. Para la inserción, todas las articulaciones de bisagra se sitúan en una orientación recta como se muestra en la figura 3A. En un modo de realización, las articulaciones de bisagra se enderezan eliminando la fuerza sobre los cables, permitiendo así que todas las articulaciones de bisagra se aflojen. Las articulaciones flojas se enderezan manualmente según sea necesario. En un modo de realización alternativo, los actuadores son conducidos a la posición enderezada. En algunos modos de realización, los actuadores pueden seguir siendo alimentados, pero controlados con un algoritmo de amortiguación que simula actuadores de movimiento libre con amortiguación. En otro modo de realización, las articulaciones se accionan en una orientación no lineal para pasar a través de un trocar curvo como se expone a continuación.
En algunos modos de realización, el dispositivo quirúrgico robótico se puede insertar en el abdomen a través de un trocar 117. En un modo de realización, el trocar está diseñado con un perfil de sección transversal similar al del dispositivo durante la inserción. Durante la inserción, el dispositivo pasa a través del trocar con un espacio mínimo para permitir la incisión más pequeña posible en la pared abdominal del paciente. En modos de realización alternativos, el dispositivo podría insertarse a través de trocares comerciales estándar.
La figura 3B muestra el trocar con el dispositivo ya insertado. La figura 3C y la figura 3D muestran el trocar y la funda 118 interior del trocar. Una vez insertado, el conducto 100 (figura 3B) consume una porción 119 (figura 3D) del trocar 117 no circular. En un modo de realización, se coloca una funda 118 interior de trocar para mantener el conducto en posición, dejando así una abertura 120 circular de 12 mm en el trocar. En algunos modos de realización, esta funda interior forma un sello de gas contra el trocar. En otros modos de realización, la funda interior contiene una válvula de retención de caucho para ayudar a mantener un sello de gas para la insuflación quirúrgica. En un modo de realización alternativo, el trocar es flexible y/o curvado. Esta flexibilidad permitiría el paso de un dispositivo o conducto curvo a través del trocar.
En algunos modos de realización, la funda interior contiene un tubo que conecta un puerto de gas en el exterior del paciente y el interior del abdomen del paciente. Este tubo y puerto de gas permiten la insuflación de la cavidad abdominal. Alternativamente, el trocar 117 puede contener dicho tubo y puerto de gas para permitir la insuflación. En algunos modos de realización, el trocar contiene una válvula de retención para mantener la presión de insuflación antes de la inserción del dispositivo robótico. En otros modos de realización, un tapón extraíble bloquea la abertura del trocar para la insuflación con el dispositivo robótico retirado.
La figura 4 muestra un modo de realización del dispositivo situado dentro de un cuerpo 121 de inserción. Este cuerpo de inserción permite un fácil movimiento del dispositivo dentro del abdomen del paciente. El dispositivo puede enviarse dentro del cuerpo de inserción para evitar la necesidad de que el cirujano enderece manualmente las articulaciones de bisagra del dispositivo. El cirujano simplemente desliza el extremo distal del cuerpo 122 de inserción a través del trocar. El extremo distal del cuerpo de inserción está diseñado para que sea suave y redondeado para evitar daños al tejido durante la inserción. Un cirujano desliza el cuerpo de inserción dentro de la cavidad abdominal del paciente hasta que encuentra resistencia, lo que indica un contacto con la pared abdominal o los órganos. Tras el contacto, el cirujano retrae el cuerpo de inserción mientras hace avanzar el dispositivo. A medida que el dispositivo abandona la protección del cuerpo de inserción, las articulaciones de bisagra flácidas se doblan para permitir que el dispositivo se curve dentro del abdomen. En algunos modos de realización, el extremo 122 distal del cuerpo de inserción incluye un sensor para detectar el contacto y/o la proximidad a la pared abdominal usando cualquier medio de detección estándar (capacitancia, resistencia, conductividad, presión, etc.). En otros modos de realización, todo el cuerpo de inserción es flexible y/o curvado.
Un cuerpo de inserción también puede ayudar a retirar el dispositivo. Un asistente puede colocar el cuerpo de inserción a través del trocar. El cirujano puede mover el brazo más cercano al cuerpo de inserción hacia el cuerpo de inserción y, de este modo, el cuerpo de inserción se desliza sobre todo el dispositivo a medida que se retira del abdomen.
La figura 5A muestra una funda 123 interior de trocar adicional. Esta funda es extremadamente delgada y se inserta en el trocar una vez que éste se sitúa atravesando la pared abdominal. Una cámara 124 está fijada al extremo de la funda interior del trocar de manera que no obstruya la abertura del trocar. La figura 5B muestra la funda interior del trocar adicional a medida que se inserta a través del trocar. La figura 5C muestra la funda interior del trocar adicional en su lugar y completamente insertada en el trocar. Una vez insertada, la cámara proporciona visualización de la cavidad abdominal y ayuda a la inserción y retirada de forma segura del dispositivo hacia y desde la cavidad abdominal. Esta cámara puede comprender además una fuente de luz así como otros sensores para ayudar y adquirir datos durante el procedimiento. Esta cámara puede consistir adicionalmente en una pluralidad de cámaras para proporcionar múltiples vistas dentro del abdomen.
Sistemas de cámara y visualización
La figura 6A muestra la cámara y el sistema de visualización configurados para su uso dentro de la cavidad abdominal del paciente. La figura 6B muestra la cámara y el sistema de visualización configurados para su inserción a través del trocar. El sistema de cámara se mueve entre la posición de uso que se muestra en la figura 6A y la posición de inserción que se muestra en la figura 6B mediante el accionamiento de una articulación 126 de bisagra y una articulación 127 de rótula. La articulación 126 de bisagra se visualiza mejor en la figura 7C. Las articulaciones de bisagra y de rótula se pueden accionar usando cualquier medio de accionamiento estándar, incluidos cables, motores, imanes, electroimanes, etc. En un modo de realización, la articulación de bisagra se acciona mediante un resorte y el resorte acciona la cámara a la posición de uso que se muestra en la figura 6A. Cuando el dispositivo se retrae a través del trocar, la dirección de la fuerza aplicada por el extremo del trocar fuerza a la articulación de bisagra accionada por resorte a moverse a la posición de inserción que se muestra en la figura 6B para permitir que encaje dentro del trocar o tubo de inserción.
El sistema de cámara mostrado en la figura 6A comprende una primera cámara 128 y una segunda cámara 129 dispuestas dentro, adyacentes a o encima de un cuerpo 125 de cámara. El cuerpo de cámara pivota con dos grados de libertad mediante el accionamiento de la articulación 127 de rótula. Este movimiento en dos grados de libertad forma el sistema de panorámica y el sistema de inclinación de la cámara. El sistema de panorámica ajusta la vista de la cámara en el eje de panorámica, mientras que el sistema de inclinación ajusta la vista de la cámara en el eje de inclinación. En modos de realización alternativos, la articulación de rótula se reemplaza por dos articulaciones de bisagra o una articulación giratoria y una articulación de bisagra. En otro modo de realización más, una articulación giratoria hace girar el cuerpo de cámara alrededor del eje vertical mientras que el movimiento de inclinación se proporciona ajustando digitalmente la vista de la cámara. Los sensores de posición miden con precisión la posición de cada articulación que mueve el cuerpo de cámara. Los sensores de posición pueden incluir cualquiera de los sensores de efecto Hall, codificadores ópticos, sensores de posición resistivos o cualquier otro medio estándar para medir la posición.
En otro modo de realización, las cámaras se mueven dentro del cuerpo de cámara de manera que uno o ambos ajustes de panorámica e inclinación se proporcionan mediante el movimiento de las cámaras dentro del cuerpo de cámara. Este ajuste se puede utilizar junto con el movimiento del cuerpo de cámara o en lugar del movimiento del cuerpo de cámara. Las cámaras pueden moverse juntas o por separado. Las cámaras pueden moverse mediante accionamiento por motor, accionamiento por cable o cualquier otro medio de accionamiento estándar. Alternativamente, las cámaras pueden girar libremente en dos grados de libertad y moverse bajo la dirección de un campo magnético creado por bobinas magnéticas que rodean la cámara.
En algunos modos de realización, tanto el movimiento de panorámica como de inclinación se proporcionan mediante un ajuste de panorámica y de inclinación digital. El ajuste digital se proporciona recortando la imagen de la cámara digital. La imagen recortada se ajusta automáticamente de modo que cuando se desea un movimiento de panorámica o de inclinación, la parte de la imagen que se muestra al usuario cambia, creando por tanto la ilusión de movimiento de la cámara. En otro modo de realización, se utiliza una combinación de ajuste digital y mecánico de manera que el ajuste de panorámica y de inclinación digital realiza ajustes pequeños y rápidos, mientras que el ajuste de panorámica y de inclinación mecánico permite grandes movimientos de panorámica y de inclinación.
En otro modo de realización, el conjunto de cámara se inserta en el abdomen como una unidad separada del resto del dispositivo. Este conjunto de cámara separado puede acoplarse de forma extraíble con el dispositivo una vez dentro de la cavidad abdominal o puede servir como una unidad independiente.
En algunos modos de realización, las cámaras tienen lentes de gran angular que permiten una visualización amplia del campo de operación. En otros modos de realización, las cámaras tienen lentes asféricas que permiten una vista vertical amplia con una vista horizontal estrecha. La distorsión se elimina con ajuste digital. Esta vista vertical amplia permite proporcionar un movimiento de inclinación únicamente mediante técnica digital. En otro modo de realización más, el cuerpo 125 de cámara comprende una pluralidad de dispositivos de cámara que aumentan aún más el campo de visión. Las vistas de las cámaras se entrelazan digitalmente para formar una imagen grande con una vista panorámica. Para entrelazar imágenes se utiliza una técnica digital estándar conocida en el campo. En otro modo de realización, el cuerpo de cámara comprende adicionalmente otros sensores que detectan cualquiera de, una presión, una capacitancia, una temperatura, un infrarrojo, un ultravioleta o cualquier otro dispositivo sensor.
En un modo de realización, el cuerpo 125 de cámara comprende además una serie de LED situados entre una cámara 128 y la segunda cámara 129. Estos LED sirven para iluminar el campo de operación. Estos LED se alimentan a través de cables conectados al exterior del cuerpo. El calor de los LED se disipa dentro del cuerpo de cámara. En algunos modos de realización, una pequeña cantidad de solución salina estéril u otro fluido biocompatible puede fluir a través del cuerpo de cámara para enfriar el cuerpo de cámara. Otros modos de realización comprenden además un sensor de temperatura para garantizar que el cuerpo de cámara permanezca dentro de un rango de temperatura seguro. En otro modo de realización, los LED se colocan dentro de otros cuerpos del dispositivo, proporcionando diferentes ángulos de iluminación, así como cuerpos de disipación de calor más grandes.
Se cree que el abdomen también puede iluminarse mediante fibra óptica u otra fuente de iluminación. La fibra óptica se puede introducir en el cuerpo mediante cables de accionamiento o mediante otra incisión. En un modo de realización, se introducen fibras ópticas en el abdomen a través de tubos muy pequeños, como angiocatéteres de calibre 21. Las fibras podrían coincidir con el dispositivo dentro del abdomen o podrían servir para proporcionar iluminación sin coincidir con el dispositivo. Un sistema de iluminación de este tipo proporcionaría una mayor iluminación con menos calor, pero a costa de una mayor complejidad del sistema global.
El cuerpo de cámara se inserta con su campo de visión perpendicular a la dirección de inserción a través del trocar. Esto permite la colocación de cámaras sobre o dentro del cuerpo 125 de cámara (figura 6A) de manera que la distancia 130 entre cámaras exceda el tamaño de la incisión a través de la cual se inserta el dispositivo. Con una mayor distancia entre cámaras, el sistema de cámara tiene una mayor capacidad para visualizar el paralaje y permitir al usuario percibir la profundidad. La distancia entre cámaras se elige para mantener un sistema natural y similar al de un humano, de modo que
longitud de brazo hum ano
distancia in te ip u p ila r hum ana
longitud de brazo rohóticoaproximadamen te igua 1 distancia entre cám aras
Interacción humana con el dispositivo
Se diseñó una interfaz humano-máquina (HMI) natural para utilizar mejor el dispositivo robótico similar a un humano y el sistema de visualización natural. Un modo de realización permite al cirujano controlar el dispositivo con el movimiento de sus propios brazos. El cirujano lleva una serie de bandas elásticas; cada banda sujeta un sensor a los brazos del cirujano. En un modo de realización, este sensor es un sensor MPU-6050. El<m>PU-6050 incluye un giroscopio MEMs , un acelerómetro y un procesador de movimiento digital para calcular la orientación del sensor.
Con referencia a la figura 15-A, en un modo de realización, el cirujano usa ocho bandas 226 y 227 elásticas. Estas bandas sujetan ocho sensores MPU-6050 a los brazos del cirujano como se muestra en la figura 15. Se coloca una banda en cada uno de los dedos 224 índice derecho e izquierdo, el dorso 223 de la mano, el antebrazo 222 dorsal distal y el brazo 221 superior dorsal distal. El recinto que contiene cada sensor de brazo superior contiene adicionalmente un microcontrolador, una batería y un módulo Bluetooth. Los datos de los sensores distales se recopilan utilizando el protocolo I2C a lo largo de los cables 225 y se transmiten a través de Bluetooth a un ordenador central.
Con datos de los ocho sensores MPU-6050, el ordenador central puede calcular la posición y orientación de cada porción del brazo del cirujano. Las soluciones futuras incluyen el seguimiento del torso del cirujano o de cualquier otra parte del cuerpo. Adicionalmente, un modo de realización alternativo incluye la adición de un magnetómetro MEMS con cada acelerómetro, giroscopio y unidad procesadora de movimiento. Los chips MEMS como el MPU-9250 ofrecen todo lo anterior en un solo paquete. La adición de un magnetómetro es una práctica estándar en el campo ya que el rumbo magnético permite la reducción de la deriva del sensor alrededor del eje vertical. Los modos de realización alternativos también incluyen sensores colocados en material quirúrgico tal como guantes, ropas quirúrgicas o una bata quirúrgica. Estos sensores pueden ser reutilizables o desechables.
Otro modo de realización más incluye la adición de sensores para seguir la posición de los brazos y el cuerpo del cirujano. Dichos sensores, similares a los sensores de Xbox Kinect® permiten el seguimiento de la posición absoluta de los brazos del cirujano y el seguimiento de las posiciones de los brazos entre sí. En algunos modos de realización, estos sensores adicionales se usan en el cuerpo del cirujano. En otros modos de realización, los sensores se sitúan en ubicaciones fijas de la habitación.
Con la capacidad de seguir los brazos del cirujano, un bucle de control dentro de un ordenador central acciona los servomotores que controlan los brazos robóticos similares a los de un humano del dispositivo. Esto se puede ver en el diagrama de bloques de la figura 16. Los brazos se controlan para seguir el movimiento a escala reducida de los brazos del cirujano. El codo robótico sigue la posición y orientación del codo humano. La muñeca robótica sigue la posición y orientación de la muñeca humana. Los efectores terminales quirúrgicos siguen el movimiento del dedo índice del cirujano cuando este junta el dedo índice y el dedo pulgar entre sí.
Mientras los brazos del dispositivo siguen el movimiento de los brazos del cirujano, los hombros del dispositivo quedan fijos en su posición. En un modo de realización, la posición y orientación del torso del cirujano se sustrae de la posición y orientación de los brazos del cirujano. Esta sustracción le permite al cirujano mover su torso sin que los brazos se muevan. Modos de realización alternativos incluyen una silla con almohadillas para alentar al cirujano a mantener sus hombros fijos en el espacio. Al impedir que el cirujano mueva sus hombros, el cirujano evita realizar movimientos que el dispositivo no puede replicar, aumentando así la sensación natural del dispositivo.
El cirujano lleva una pantalla 220 de realidad virtual montada en la cabeza (figura 15) para visualizar mejor el dispositivo. Las pantallas montadas en la cabeza apropiadas, tal como Oculus Rift, proporcionan al usuario una pantalla montada en la cabeza, lentes para permitir una visión enfocada de la pantalla y un sistema de sensores para proporcionar seguimiento de la posición y orientación de la pantalla. Los sistemas de sensores de posición y orientación pueden incluir acelerómetros, giroscopios, magnetómetros, procesadores de movimiento, seguimiento por infrarrojos, visión por ordenador, cualquier otro método de seguimiento de al menos uno de posición y orientación o cualquier combinación de los mismos. Con tantas pantallas surgiendo en el mercado, es importante elegir la mejor para nuestro sistema. Las características de pantalla que generalmente tienen como resultado una mejor función del dispositivo para nuestro sistema incluyen un mayor campo de visión, menor latencia, menor persistencia, mayor resolución, menor peso, mayor comodidad y un seguimiento mejorado de la posición y la orientación de la pantalla.
Con una pantalla montada en la cabeza, un ordenador procesa el vídeo recopilado desde el sistema de visualización del dispositivo como se ve en el diagrama de bloques de la figura 16. En un modo de realización, el vídeo de la primera y segunda cámara 128 y 129 (figura 6A) se recopila y procesa como se describe más adelante en esta sección. El vídeo procesado desde una cámara 128 se muestra en el ojo derecho del cirujano. De manera similar, el vídeo procesado desde una cámara 129 se muestra en el ojo izquierdo del cirujano. La combinación de la vista del ojo izquierdo y derecho desde cámaras separadas espaciadas en la cavidad abdominal proporciona al cirujano una vista estereoscópica.
Para mantener una experiencia de realidad virtual completa, un sistema de sensores sigue la posición y orientación de la pantalla montada en la cabeza del cirujano. Este sistema de sensores transmite datos a un ordenador central en tiempo real. El ordenador central ajusta la panorámica y la inclinación del sistema de cámara del dispositivo lo más rápido posible para seguir el movimiento de la cabeza del usuario. Como es difícil ajustar la panorámica y la inclinación de la cámara lo suficientemente rápido como para que el cirujano no pueda percibir un retraso, el software ajusta ligeramente las vistas de la cámara para compensar cualquier diferencia entre la posición de la cámara y la posición de la cabeza del cirujano.
Si bien algunos modos de realización proporcionan únicamente retroalimentación visual al cirujano, modos de realización alternativos proporcionan numerosos sistemas de retroalimentación adicionales. En un modo de realización, el cirujano sostiene un dispositivo para proporcionar retroalimentación háptica. Un dispositivo de este tipo podría ser tan simple como un pequeño servomotor conectado a dos miembros. Cuando el cirujano aprieta entre los miembros, el servomotor resiste el movimiento. Con un servomotor que proporciona retroalimentación háptica, así como detección de posición y fuerza en la pinza de agarre robótica, se pueden usar algoritmos de control de fuerza estándar para permitir al cirujano "sentir" la fuerza ejercida por la pinza de agarre.
En un modo de realización alternativo, el cirujano está provisto de un dispositivo similar a un exoesqueleto para usar en cada uno de sus brazos. Un dispositivo de este tipo contendría un servo para cada actuador de los brazos robóticos y permitiría al cirujano experimentar retroalimentación háptica para cada actuador robótico. En otro modo de realización más, el cirujano interactúa con el dispositivo utilizando dispositivos de interacción háptica estándar conocidos en el mercado actualmente.
En un modo de realización, el movimiento de los brazos del cirujano se traduce en movimiento de los brazos del dispositivo sólo con escalado directo. Sin embargo otros modos de realización pueden incluir un escalado ajustable del movimiento. En un modo de realización, se reduce el escalado del movimiento aún más de modo que un movimiento del codo del cirujano de 10 grados da como resultado un movimiento similar del codo del dispositivo de 5 grados. Este escalado permite una mayor destreza a cambio de una menor sensación natural del dispositivo. Otro modo de realización incluye un escalado ajustable en el que el factor de escala está vinculado a la velocidad de movimiento. Por ejemplo, si el codo del cirujano se mueve 10 grados a 10 grados por segundo, el codo del dispositivo se mueve 3 grados. Si el codo del cirujano se mueve 10 grados a 50 grados por segundo, el codo del dispositivo se mueve 15 grados.
El diagrama de bloques de la figura 16 proporciona una vista general que muestra cómo el dispositivo en su conjunto recopila y utiliza información. Los sensores 229 siguen el movimiento del cuerpo del cirujano y transmiten esta información al ordenador central. El ordenador central contiene bucles 230 de control y software y hardware de aumento y de renderizado de vídeo 231. La información sobre las ubicaciones del brazo y el cuerpo del cirujano se utiliza para calcular las posiciones previstas del actuador robótico. Los bucles de control continúan calculando las salidas de potencia a los servomotores 232 utilizando las posiciones deseadas del actuador robótico combinadas con valores de proceso de codificadores de servomotor, par de servomotor, codificadores de dispositivos y cualquier otro sistema relevante. Estos bucles de control pueden utilizar un control "PID" derivado integral proporcional sintonizado estándar para determinar la salida de potencia a los servomotores. Alternativamente, se pueden utilizar bucles de control personalizados. Los servomotores se conectan con el dispositivo 233 en el interior del paciente como se describe más adelante en esta solicitud.
El dispositivo en el interior del paciente recopila señales de vídeo de los sistemas de cámaras y transmite estas señales al sistema 231 de aumento y renderizado de vídeo del ordenador central. Este sistema combina información sobre las posiciones y orientaciones de las cámaras, las señales de vídeo y la posición y orientación de la cabeza del cirujano. Con esta información, el sistema de aumento y renderizado de vídeo crea una señal de vídeo y transmite esta señal a la pantalla 228 de realidad virtual del cirujano. Se debería observar que este diagrama de bloques describe generalmente el dispositivo, modos de realización alternativos tienen sensores y elementos adicionales, así como conexiones adicionales entre los componentes del diagrama de bloques para permitir un procesamiento y uso más complejo de datos dentro del sistema.
Aumento de la realidad
Para mejorar aún más la capacidad operativa del cirujano, la realidad puede aumentarse para proporcionar mayor información al cirujano. Este aumento de la realidad sirve para mejorar la capacidad del cirujano para operar al complementar la experiencia de realidad virtual. Por ejemplo, en un modo de realización, las cámaras del dispositivo tienen una función de zum. Que el cirujano utilice esta función de zum durante una operación no sería natural ya que los propios ojos del cirujano no pueden hacer zum cuando se les ordena. Sin embargo, al utilizar la animación, un cirujano puede elegir un cristal de aumentos o lupa y colocarla frente a sus ojos virtuales durante el uso. Esta realidad aumentada permite al cirujano sentir como si él o ella hubieran causado el aumento del zum, manteniendo por tanto la conexión natural de realidad virtual entre el cirujano y el dispositivo.
En otro modo de realización, el cirujano puede colocar elementos de realidad aumentada dentro del abdomen del paciente. Por ejemplo, para ver las exploraciones radiográficas de un paciente, un cirujano puede optar por colocar un monitor de ordenador virtual dentro de la cavidad abdominal del paciente (probablemente en un área en el exterior del campo de operación). Este monitor de realidad virtual permite al cirujano hojear imágenes sin salir de la realidad virtual de la operación.
En otro modo de realización, un ordenador sigue la posición de los brazos robóticos dentro del campo de visión del cirujano. Si el cirujano ejerce una fuerza excesiva, el ordenador aumenta el color de los brazos robóticos para que aparezcan rojos ante la vista del cirujano. De manera similar, los brazos robóticos o el efector terminal quirúrgico pueden configurarse para que cambien de color cuando el cirujano habilita la cauterización en un instrumento de cauterización.
Sistema de conexión central
La figura 7A y la figura 7B muestran el sistema de conexión central. El sistema de conexión central sirve para múltiples propósitos, incluido el soporte de los brazos, el soporte del conjunto 102 de cámara y el guiado de cables y sistemas de energía. El sistema de conexión central comprende un cuerpo 131 central principal conectado al conducto 100. Esta conexión se diseña mediante cualquier método de fijación estándar conocido por los expertos en el campo, tal como una ranura, un ajuste a presión, pegamento, soldadura o cualquier otro medio de fijación existente. La figura 7B muestra pistas 137 de cable para cables de conexión usados en el modo de realización con cuatro brazos como se analiza más adelante. La cubierta 133 frontal retiene los cables dentro de las pistas.
Los cables que entran en el cuerpo del paciente dentro del conducto se guían a actuadores apropiados a través de un sistema 132 de poleas como se muestra en la vista despiezada de la figura 7C. Estas poleas sujetan los cables dentro de las ranuras 135 en V de manera que los cables permanecen en su lugar incluso cuando están flojos. Los ejes 136 para las poleas están mecanizados en su lugar o encajan en agujeros previamente perforados. Una cubierta 134 posterior está atornillada en su lugar con pernos que se enroscan en agujeros 138 roscados.
Si bien el sistema de conexión central utilizado en un modo de realización permite la inserción de todo el sistema a través de un trocar, modos de realización alternativos permiten la inserción de múltiples unidades de un solo brazo a través de trocares separados. Por ejemplo, se pueden utilizar tres trocares para introducir dos manipuladores robóticos similares a un humano y una cámara de realidad virtual. Esta configuración lograría la misma cirugía de realidad virtual sin la necesidad del sistema de conexión central. Sin embargo, aumentaría el número de incisiones requeridas en el paciente y reduciría la maniobrabilidad del dispositivo una vez insertado.
Diseño de actuador articulado
El primer actuador 110 (figura 2A), el tercer actuador 112, el quinto actuador 114 y el séptimo actuador 116 son actuadores articulados. En un modo de realización, los actuadores articulados se accionan por cable para proporcionar un par y una velocidad adecuados en el espacio más pequeño posible. Este diseño de actuador pequeño permite la inserción a través de una incisión muy pequeña. La figura 8A y la figura 8B muestran una vista en perspectiva de un actuador articulado. Este actuador articulado incluye dos componentes 139 hembra con una pluralidad de agujeros 140 para pernos para fijar los componentes hembra a otro actuador u otro elemento del dispositivo. Esta fijación forma un componente de conexión proximal. Los diseños alternativos incluyen la fijación con otros medios conocidos. Estos medios pueden incluir la fabricación de los componentes articulados hembra y los componentes unidos proximalmente como un solo cuerpo. Los componentes hembra están dispuestos separados dejando un área para el componente macho del actuador. Cada componente hembra incluye una pluralidad de agujeros 142 de guía de cuerdas para hacer pasar cuerdas, cables y otros sistemas a través del actuador desde sistemas conectados proximalmente hasta actuadores distales. En diseños alternativos, los agujeros de guía de cuerdas se reemplazan con ranuras o un solo agujero para permitir que los sistemas pasen de manera similar. Adicionalmente, cada componente articulado hembra incluye una superficie 141 de rodamiento hembra. En un modo de realización, la superficie de rodamiento hembra comprende una superficie mecanizada lisa. Sin embargo, los diseños alternativos incluyen rodamientos de bolas, rodamientos de agujas, rodamientos de fluido o cualquier otro tipo de rodamiento.
La figura 8A y la figura 8B muestran además un cuerpo 143 de bisagra principal. Este cuerpo de bisagra principal incluye un componente de conexión distal que comprende una pluralidad de resaltes 144 en su extremo distal utilizados para la conexión a actuadores o sistemas adicionales. Estos resaltes incluyen una pluralidad de agujeros 145 roscados para permitir la unión de sistemas distales a los resaltes del actuador. Si bien un modo de realización incluye fijación con pernos, cualquier medio de fijación podría ser apropiado, incluida la fabricación de componentes unidos distalmente como un solo cuerpo con el cuerpo de bisagra principal. El cuerpo de bisagra principal incluye una pluralidad de agujeros 153 de guía de cuerdas para pasar cuerdas, cables y otros sistemas a través del actuador desde sistemas conectados proximalmente hasta actuadores distales. Estos agujeros de guía de cuerdas funcionan de la misma manera que los agujeros 142 de guía de cuerdas de los componentes hembra. El cuerpo de bisagra principal comprende además una polea o cabrestante 146. Este cabrestante es el medio por el cual se acciona la articulación de bisagra. Se introducen dos cables de accionamiento a la polea a lo largo de caminos 147 desde dentro de los conductos 149 en el cuerpo unido proximalmente. Los cables continúan enrollándose alrededor de la polea y terminan en un sitio 148 de terminación de cable.
En un modo de realización, los cables terminan sujetando el cable entre una superficie rígida y un tornillo de fijación colocado en el agujero 150 roscado. Alternativamente, un cable puede terminar usando cualquier medio apropiado conocido en el campo. Por ejemplo, un cable de fibra de polímero puede terminar con un nudo atado en el cable o un cable de fibra metálica puede terminar mediante conexiones engarzadas. En un modo de realización, cada una de las dos direcciones de accionamiento está provista de cables independientes roscados alrededor de la polea en direcciones opuestas. Un diseño alternativo comprende un único cable que entra a través de un primer agujero 149 de conducto de cable de accionamiento, que se envuelve una o varias veces alrededor de la polea y que sale a través del segundo agujero de conducto de cable. Si bien este diseño elimina la necesidad de una terminación del cable dentro del actuador, permite el deslizamiento del cable contra la polea. Cualquiera de los modos de realización podría ser apropiado dependiendo de la aplicación particular. En otro modo de realización, un único cable acciona el actuador articulado en una dirección, mientras que un resorte u otro dispositivo de almacenamiento de energía proporciona el accionamiento en la dirección opuesta.
La figura 8A y la figura 8B muestran además una superficie 152 de perfil contorneada fabricada en ambos lados del cuerpo 143 de bisagra principal. Este perfil contorneado permite que los cables, alambres y cualquier otro sistema del actuador pasen a través de la articulación de bisagra desde los actuadores y dispositivos proximales hasta los actuadores y dispositivos distales. La figura 9A y la figura 9B muestran vistas en sección que demuestran la función del recorrido del contorno. El recorrido tiene un contorno tal que el eje neutro de los cables y sistemas 158 pasantes (figura 9A y figura 9B) permanece aproximadamente a la misma longitud en todo momento. La longitud permanece relativamente sin cambios mientras el cuerpo 143 de bisagra principal gira con respecto a los componentes articulados hembra. Esta forma contorneada se produjo mediante análisis<c>A<d>de un cable que pasa a través del actuador. La forma del contorno se ajustó hasta que el cable permaneció dentro de aproximadamente el 1% de su longitud inicial en todas las posiciones de accionamiento, en un modo de realización. En los modos de realización presentes, la superficie contorneada está hecha de aluminio. Los cables de fibra polimérica pasan por la superficie. Los diseños alternativos incluyen cualquiera de las superficies fabricadas con materiales de baja fricción (o recubiertas con materiales de baja fricción), cables recubiertos con materiales de baja fricción o superficies fabricadas con materiales resistentes al desgaste. Adicionalmente, las superficies pueden comprender además una pluralidad de rodillos, bolas o poleas cautivas para reducir aún más la fricción entre la superficie y el cable.
Con la adición de la superficie 152 contorneada, los actuadores articulados pueden actuar en un amplio rango angular sin, en consecuencia, accionar sistemas distales. La superficie contorneada permite que docenas de cables pasen a través del actuador articulado sin movimiento acoplado. Esto permite que muchos actuadores accionados por cable se fijen distalmente al actuador articulado sin ningún movimiento acoplado significativo entre los actuadores. Los diseños de actuadores alternativos utilizados en cirugía hoy en día permiten como máximo el paso de unos pocos cables con un movimiento moderadamente acoplado. Esta superficie contorneada permite un movimiento casi completamente desacoplado con muchos cables, lo que permite que un brazo robótico de siete grados de libertad pase a través de un trocar de 12 mm.
En algunos modos de realización, el cambio de longitud del cable del actuador dentro del actuador es inferior a aproximadamente el 10 % a medida que el actuador se mueve a través de un rango de movimiento de 110 grados. En otros modos de realización, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 9 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 8%. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 7%. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 6 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 5 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 4%. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 3%. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 2 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 1%.
Cada actuador articulado comprende además dos cuerpos 154 de bisagra macho como se muestra en la figura 8B. Cada cuerpo de bisagra macho tiene una superficie 152 de perfil contorneada con un perfil idéntico a la superficie de perfil contorneada del cuerpo 143 de bisagra principal. Esta superficie de perfil proporciona una función idéntica a la superficie de perfil del cuerpo de bisagra principal. Adicionalmente, cada cuerpo de bisagra macho comprende una pluralidad de agujeros 157 de pernos para la fijación del cuerpo de bisagra macho al cuerpo de bisagra principal. Los pernos se enroscan en agujeros 151 roscados en el cuerpo de bisagra principal fijando semipermanentemente el cuerpo de bisagra macho al cuerpo de bisagra principal. El cuerpo de bisagra macho comprende además un resalte 155 macho que actúa como pasador de bisagra para la articulación de bisagra. Una superficie 156 de soporte a lo largo del resalte macho actúa junto con la superficie 141 de rodamiento en el componente 139 de bisagra hembra. Estas superficies proporcionan un soporte para la articulación de bisagra. Los rodamientos trabajan en conjunto para formar un sistema de rodamientos. Al igual que con la superficie de rodamiento hembra, la superficie de rodamiento macho puede ser una superficie mecanizada cilíndrica o, alternativamente, puede incluir pistas y cualquier tipo de rodamiento, como de bolas, de agujas, de fluido, etc.
Si bien un modo de realización sujeta los cuerpos 154 de bisagra macho al cuerpo 143 de bisagra principal con una pluralidad de pernos, cualquier método de fijación alternativo podría ser aceptable. Un diseño alternativo sujeta los cuerpos mediante adhesivo. En otro diseño, los cuerpos se fabrican como un solo cuerpo eliminando por tanto la necesidad de unos medios de sujeción. La fabricación como una sola parte aumentaría la complejidad de las operaciones de fabricación al tiempo que reduciría la complejidad del montaje.
En un modo de realización, todos los actuadores articulados están diseñados para ser idénticos; sin embargo, modos de realización alternativos incluyen diferentes actuadores articulados para satisfacer las necesidades específicas del primer, tercer, quinto y séptimo actuadores. Por ejemplo, un primer actuador podría requerir un rango de movimiento desde 50 grados negativos hasta 50 grados positivos. Por tanto, el actuador tal como está diseñado actualmente funcionaría idealmente. Sin embargo, un quinto actuador (que representa la articulación de codo) puede necesitar un rango de movimiento de aproximadamente 0 grados a 160 grados. Por tanto, un actuador modificado con un rango de movimiento apropiado sería ideal para esta articulación.
Adicionalmente, modos de realización alternativos podrían incluir actuadores de tipo bisagra que difieran significativamente de los actuadores de un modo de realización. Los actuadores podrían incluir motores, cajas de engranajes, pistones o cualquier otro medio de accionamiento conjunto.
En otro modo de realización, el actuador comprende además un codificador para medir la posición en la articulación. La medición se obtiene con un codificador de efecto Hall similar al AS5055 de ams AG. Un codificador de este tipo cabe fácilmente dentro de la articulación de la bisagra y proporciona una medición de la posición en tiempo real con una resolución de 12 bits. Alternativamente, se puede utilizar cualquier medio para medir la posición, incluidos codificadores ópticos y resistivos. Los datos se comunican a sistemas en el exterior de la cavidad abdominal mediante cables. En algunos modos de realización, los datos se comunican de forma inalámbrica. En otros modos de realización, los datos se comunican utilizando cables actuadores conductores como alambres. Los cables del actuador o sus hilos individuales están recubiertos con un aislante eléctrico que permite que el cable transmita al menos uno de, una energía eléctrica y datos además de la transmisión de energía mecánica.
Los modos de realización alternativos comprenden además al menos un medidor de tensión fijado en un miembro que experimenta tensión durante la carga de la articulación de bisagra. Un medidor de tensión de este tipo permite medir la fuerza experimentada por el actuador.
Diseño de actuador giratorio
El segundo, cuarto y sexto actuadores 111, 113, 115 (figura 2A) de un modo de realización son actuadores de tipo giratorio. La figura 10A, la figura 10B y la figura 10C muestran vistas del actuador giratorio de un modo de realización. Al igual que con los actuadores articulados usados en un modo de realización, los actuadores giratorios son accionados por cable. Los actuadores están diseñados para proporcionar un par y una velocidad máximos con un tamaño mínimo.
Los actuadores giratorios comprenden un cuerpo 160 hembra giratorio. El cuerpo hembra giratorio tiene un componente de conexión proximal que comprende una pluralidad de resaltes 179 de conexión proximal, cada uno con una pluralidad de agujeros 172 de perno. Los pernos sujetan los salientes de conexión proximal a un actuador o estructura proximal. Si bien un modo de realización utiliza pernos como medios de sujeción, son aceptables varios medios alternativos de sujeción. En un diseño alternativo, el cuerpo hembra giratorio y la estructura proximal a la que está fijado se fabrican como un solo cuerpo.
Un cuerpo 159 macho giratorio está insertado dentro del cuerpo 160 hembra giratorio. El cuerpo macho giratorio tiene un componente de conexión distal que comprende resaltes 180 de conexión distal (figura 10A y figura 10B) cada uno con una pluralidad de agujeros 168 roscados (figura 10C). Los pernos roscados en los agujeros roscados sirven para conectar los sistemas distales con el cuerpo macho giratorio. Nuevamente, cualquier medio de fijación alternativo puede ser apropiado.
El cuerpo macho giratorio está limitado con respecto al cuerpo hembra giratorio por medio de un sistema de rodamientos que comprende dos rodamientos de bolas, un rodamiento 161 de bolas pequeño y un rodamiento 162 de bolas grande (figura 10A y figura 10B). Estos rodamientos de bolas actúan para soportar cargas axiales y cargas radiales por medio de pistas 173 y 174 de rodamiento en forma de V que se ven mejor en la vista en sección de la figura 10D. Con pistas en forma de V, los rodamientos pueden soportar cargas axiales y radiales sustanciales; sin embargo, los rodamientos ya no son rodamientos con elementos rodantes perfectos. Se experimenta una pequeña cantidad de deslizamiento cuando las bolas 181 de rodamiento (figura 10C) ruedan a lo largo de la pista del rodamiento; sin embargo, este deslizamiento se minimiza con bolas muy pequeñas. En un modo de realización, las bolas de rodamiento tienen aproximadamente 1 mm de diámetro. El desgaste es una preocupación mínima debido a las bajas RPM del dispositivo.
Para minimizar el tamaño del dispositivo, se incorporan rodamientos de bolas en el dispositivo. El rodamiento 162 de bolas grande tiene dos pistas 173 de rodamiento. Una pista está formada en la superficie distal del cuerpo hembra giratorio mientras que la otra pista está formada en un anillo 163 de pista de rodamiento grande. Si bien un modo de realización comprende una pista de rodamiento formada en un anillo separado para reducir el coste de fabricación, modos de realización alternativos incluyen una pista de rodamiento formada directamente en el cuerpo macho giratorio. Este diseño alternativo aumenta la complejidad de la fabricación al tiempo que reduce el tamaño del dispositivo.
El rodamiento 161 de bolas pequeño está colocado en el extremo proximal del actuador. Este rodamiento pequeño sirve para restringir el cuerpo 159 macho giratorio dentro del cuerpo 160 hembra giratorio en el lado proximal del actuador giratorio. Este rodamiento de bolas pequeño es más pequeño que el rodamiento 162 de bolas grande para encajar entre los resaltes 179 de conexión proximales. El rodamiento de bolas pequeño comprende pistas de ranura en V formadas en el anillo 164 de pista de rodamiento de bolas pequeño y en el anillo 165 de pista de rodamiento de bolas estriado. La pista de rodamiento de bolas estriada tiene una estría en su superficie interior que coincide con una estría formada en la superficie del extremo proximal del cuerpo macho giratorio. Finalmente, se enrosca una tuerca 166 en la superficie proximal del cuerpo macho giratorio. Esta tuerca comprime tanto el rodamiento de bolas pequeño como el rodamiento de bolas grande y sirve para intercalar el cuerpo hembra giratorio entre los dos rodamientos con una fuerza de tensión previa aplicada al girar la tuerca. Esta fuerza de tensión previa limita el cuerpo giratorio macho al cuerpo giratorio hembra en todos los grados de libertad excepto en el eje de accionamiento previsto.
Adicionalmente, la superficie estriada entre el cuerpo macho giratorio y el anillo de pista de rodamiento de bolas estriado 165 evita que el anillo de pista de rodamiento de bolas estriado gire con respecto al cuerpo macho giratorio durante el uso. Esto elimina cualquier par en la tuerca que podría aflojarla con el tiempo. En un modo de realización alternativo, la tuerca se mantiene en su lugar con fijador de roscas, pegamento, una chaveta o cualquier otro medio. En otro modo de realización alternativo más, la tuerca se reemplaza con un clip en E u otros medios de unión y el cuerpo macho giratorio puede tensarse durante la unión para proporcionar una tensión previa de los rodamientos. En otro modo de realización más, se retiran uno o ambos del anillo de pista de rodamiento pequeño y el anillo de pista de rodamiento estriado y las pistas de rodamiento están formadas por una o más de la tuerca y el cuerpo hembra giratorio. Este cambio reduce la longitud total del dispositivo y la cantidad de componentes del dispositivo.
Se debería observar que, si bien tanto el rodamiento de bolas pequeño como el rodamiento de bolas grande del actuador de cable giratorio son rodamientos de bolas con ruedas en V, se podría utilizar cualquier tipo de rodamiento que pueda soportar las cargas adecuadas. Por ejemplo, un modo de realización alternativo utiliza cuatro rodamientos de bolas, dos para cargas de empuje y dos para cargas axiales. Otro modo de realización alternativo utiliza rodamientos lisos para cargas axiales y rodamientos de elementos rodantes para cargas axiales. Otro modo de realización más utiliza sólo rodamientos lisos para cargas axiales y de empuje. Si bien los rodamientos lisos tienen una mayor fricción, su tamaño y complejidad reducidos son beneficiosos en algunas aplicaciones. Otro modo de realización incluye rodamientos de agujas cónicas; dichos rodamientos son teóricamente ideales para el tipo de cargas experimentadas dentro del actuador de cable giratorio, aunque son más difíciles y costosos de fabricar.
Con el cuerpo 159 macho giratorio fijado dentro del cuerpo 160 hembra giratorio, los cables de accionamiento se alimentan a lo largo de una trayectoria desde el actuador fijado proximalmente. Estos cables se introducen en el espacio entre el cuerpo giratorio macho y el cuerpo giratorio hembra. La figura 10D muestra una vista en sección del actuador de cable giratorio. En esta sección, es fácil ver las crestas 175 de separación de cables formadas en el cuerpo 160 hembra giratorio. Las crestas de separación sirven para formar bolsillos 176 casi completamente cerrados para que cada cable actuador se enrolle alrededor del cuerpo 159 macho giratorio.
Cada uno de los cables de accionamiento sigue un recorrido 169 y 177 contorneado hacia el actuador (figura 10A y figura 10B). Estos recorridos permiten que los cables del actuador entren en los bolsillos 176 cerrados (figura 10D). Los recorridos están formados en el cuerpo 160 hembra giratorio y están contorneados de manera que el cable sigue un camino suave dentro de los bolsillos cerrados y alrededor del cuerpo macho giratorio. Es importante tener en cuenta que cada uno de los dos cables del actuador se enrolla alrededor del cuerpo macho giratorio en direcciones opuestas.
Por tanto, el cuerpo macho giratorio forma dos poleas, una para el accionamiento en cada dirección de giro. Cada uno de los cables de accionamiento se enrolla alrededor del cuerpo macho giratorio una pluralidad de veces, lo que permite numerosas revoluciones de accionamiento. Después de enrollarse alrededor del cuerpo macho giratorio, los cables de accionamiento entran en el cuerpo macho giratorio a través de los agujeros 171 de terminación de cable y se fijan rígidamente al cuerpo macho giratorio por medio de tornillos de fijación colocados en agujeros roscados. Los agujeros 170 en el cuerpo hembra giratorio permiten que una llave acceda a los tornillos de fijación.
Modos de realización alternativos del actuador giratorio incluyen la fijación del cable de accionamiento terminado con cualquier medio alternativo apropiado. Por ejemplo, los cables pueden terminarse con nudos atados en el cable. Otros medios de terminación alternativos incluyen pegamento, conexiones engarzadas, abrazaderas, cabrestantes, soldadura y cualquier otro medio apropiado. Como alternativa, es posible que los cables de accionamiento no estén terminados. Se puede insertar un único cable de accionamiento desde un lado del actuador, realizar una pluralidad de vueltas alrededor del cuerpo macho giratorio y salir por el otro lado del actuador. Un actuador rotacional de este tipo permitiría un giro continuo, pero también permitiría el deslizamiento del cable a lo largo del cuerpo macho giratorio.
El centro del cuerpo macho giratorio está diseñado para ser hueco. Este forma un agujero 178 a través del actuador. Este agujero se visualiza mejor en la sección de la figura 10D, pero también es visible en la figura 10C. El agujero es crítico para el funcionamiento del dispositivo ya que permite que los cables y otros sistemas pasen a través del actuador giratorio desde los actuadores y sistemas proximales hasta los actuadores y sistemas distales. El chaflán 167 reduce el desgaste de los cables al eliminar un borde afilado cuando los cables pasan a través del agujero. Al proporcionar un recorrido recto a través del centro del actuador giratorio, los cables pasan casi sin cambios en su longitud a medida que el actuador giratorio cambia de posición. Esto es muy importante ya que desacopla casi por completo los actuadores distales del movimiento del actuador giratorio. Se debería observar que se produce cierta cantidad de movimiento acoplado debido a la torsión de los cables que pasan a través del agujero 178; sin embargo, esta torsión proporciona un efecto insignificante para los accionamientos dentro de un giro completo (360 grados) y un efecto muy pequeño para los accionamientos dentro de dos rotaciones completas. Por supuesto, con más de un cable pasando a través del agujero, el actuador giratorio no puede realizar rotaciones infinitas debido a la torsión del haz de cables.
La inclusión del agujero 178 dentro del actuador giratorio accionado por cable permite que el dispositivo de muchos grados de libertad pase a través de un trocar de 12 mm. Al proporcionar un actuador accionado por cable en miniatura con unos medios para permitir que los cables pasen a través del actuador con un movimiento casi desacoplado, se pueden usar múltiples actuadores giratorios en serie dentro de un brazo robótico. Los cables de los actuadores giratorios conectados distalmente, así como cualquier sistema conectado distalmente, pueden pasar simplemente a través del agujero 178, permitiendo por tanto una conexión en cadena de actuadores con movimiento suficientemente desacoplado.
En algunos modos de realización, el cambio de longitud del cable del actuador dentro del actuador es inferior a aproximadamente el 20 % a medida que el actuador se mueve a través de un rango de movimiento de 360 grados. En otros modos de realización, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 19 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 18%. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 17 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 16 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 15 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 14 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 13 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 12 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 11 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 10 %. En otros modos de realización, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 9 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 8%. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 7%. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 6 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 5 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 4%. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 3%. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 2 %. En otros modos de realización más, el cambio de longitud es inferior a aproximadamente el 1%.
Diseño de pinza de agarre
Para permitir la máxima utilidad del dispositivo, los efectores terminales de un modo de realización están diseñados para realizar múltiples tareas. Durante una cirugía mínimamente invasiva no robótica, un cirujano puede simplemente retirar un instrumento e insertar otro instrumento. Sin embargo, con nuestro dispositivo quirúrgico como se describe en un modo de realización, la retirada del dispositivo para cambiar el efector terminal podría resultar poco práctica. Por esta razón, en un modo de realización se incorpora un efector terminal de uso general.
Durante un procedimiento quirúrgico típico, un cirujano debe agarrar tanto tejidos blandos como instrumentos duros. Por ejemplo, un cirujano podría querer juntar dos secciones blandas de intestino y luego coserlas con una aguja pequeña y dura. Agarrar el intestino requiere una pinza de agarre capaz de realizar una manipulación delicada, mientras que agarrar una aguja requiere mucha fuerza. Para maximizar la capacidad del efector terminal único, la pinza de agarre de un modo de realización se diseñó para agarrar con fuerza variable.
La figura 11A muestra una vista en perspectiva de la pinza de agarre en un modo de realización. La figura 11A muestra adicionalmente la articulación de una bisagra distal fijada, el séptimo actuador 116 (figura 2A) con componentes 139 articulados hembra idénticos a los de otras articulaciones de bisagra en el dispositivo. La pinza de agarre se compone de dos mordazas 187 y 188 diseñadas para proporcionar una longitud suficiente para la manipulación de tejidos de uso general. En un modo de realización, las mordazas de la pinza de agarre tienen dientes 189 estriados para permitir una tracción de agarre adicional. Alternativamente, las pinzas de agarre pueden diseñarse con cualquier superficie apropiada conocida en el campo.
Las mordazas se mantienen en su lugar entre un cuerpo 185 de pinza de agarre macho y un cuerpo 186 de pinza de agarre hembra y cuerpos 182 y 183 de sujeción por flexión. Juntos, el cuerpo de pinza de agarre macho, el cuerpo de pinza de agarre hembra y los cuerpos de sujeción por flexión forman un cuerpo de pinza de agarre principal. Los modos de realización alternativos incluyen un cuerpo de pinza de agarre principal que comprende un solo cuerpo, menos cuerpos o más cuerpos. Estos cuerpos soportan los componentes dentro de la pinza de agarre y sirven para formar la sección distal de la articulación de bisagra que comprende el séptimo actuador 116. Para proporcionar la distancia mínima posible entre las mordazas de la pinza de agarre y el séptimo actuador, la porción distal de la articulación de bisagra está formada en el cuerpo 185 de pinza de agarre macho y el cuerpo 186 de pinza de agarre hembra. En modos de realización alternativos, se utiliza una articulación de bisagra separada y los cuerpos de pinza de agarre incluyen en su lugar un sitio de fijación para sujetar los extremos proximales de los cuerpos de pinza de agarre al extremo distal de la articulación de bisagra.
En un modo de realización, el cuerpo 185 de pinza de agarre macho se sujeta en el cuerpo 186 de pinza de agarre hembra mediante elementos de acoplamiento 198, así como una pluralidad de pernos roscados en agujeros roscados. En modos de realización alternativos, los cuerpos pueden sujetarse entre sí mediante medios tales como adhesivo o las partes pueden fabricarse como un solo cuerpo. Además de alojar la pinza de agarre, el cuerpo de pinza de agarre macho y el cuerpo de pinza de agarre hembra montados junto con los cuerpos 184 de bisagra macho forman la porción distal de una bisagra. Esta articulación de bisagra funciona de la misma manera que otras articulaciones de bisagra descritas en el sistema.
La figura 11B muestra una vista despiezada de la pinza de agarre. En el centro de la pinza de agarre están las mordazas 187 y 188. Estas mordazas están acopladas al cuerpo 185 de pinza de agarre macho y al cuerpo 186 de pinza de agarre hembra mediante pasadores 199, 200, 201 y 202. Estos pasadores encajan por deslizamiento en los agujeros 197 de las mordazas de la pinza de agarre. En un modo de realización, los pasadores no se extienden hasta el centro de las mordazas de la pinza de agarre, manteniendo por tanto una ranura 207 recortada abierta dentro del centro de las mordazas de la pinza de agarre.
Se forman pasadores 203 en el extremo de cada mordaza 187 y 188 de la pinza de agarre (figura 11B). Estos pasadores se encajan por deslizamiento dentro de los agujeros 204 de los miembros 190 y 191 de enlace formando conexiones articuladas. Cada miembro de enlace conecta un pasador 203 de mordaza de pinza de agarre con uno de los pasadores 205 de polea formados en el cuerpo de cada polea 192 y 193. Además, los pasadores 210 de polea se mueven dentro de las ranuras formadas en el cuerpo 185 de pinza de agarre macho y el cuerpo 186 de pinza de agarre hembra. La ranura 206 formada en el cuerpo de pinza de agarre macho se ve claramente en la figura 11A. Se forma una ranura idéntica (no representada) en el cuerpo de pinza de agarre hembra.
Los mecanismos de enlace formados por los componentes de agarre antes mencionados forman enlaces de manera que cada polea 192 y 193 está limitada a moverse en línea recta en las direcciones distal<>proximal. Un cable de accionamiento se suministra desde el cuerpo de pinza de agarre principal alrededor de cada polea y hasta un sitio de terminación ubicado proximalmente dentro del cuerpo de pinza de agarre principal. Cuando cada cable actuador está tenso, tira de su polea respectiva en dirección proximal. La polea de cada enlace proporciona una ventaja mecánica de 2-1 mediante un mecanismo de bloqueo y enlace. Modos de realización alternativos incluyen disposiciones de poleas alternativas o ninguna polea para una ventaja mecánica de 1-1. En un modo de realización, los cables se sujetan en un agujero roscado mediante un tornillo de fijación. En otros modos de realización, los cables pueden terminarse mediante cualquier medio conocido en el campo, tal como nudos, abrazaderas de flexión o adhesivos.
En un modo de realización, hay dos poleas, una polea 192 distal y una polea 193 proximal. A medida que se mueven las mordazas de la pinza de agarre, las poleas se mueven en direcciones opuestas. Los enlaces relevantes se pueden ver en las secciones transversales de la figura 11C y figura 11D. Como muestran los diagramas de enlace de la figura 12A y de la figura 12B, las poleas se separan a medida que se separan las puntas de las pinzas de agarre. Las poleas se mueven juntas a medida que las puntas de las pinzas de agarre se mueven juntas. Cuando se tensa un primer cable como indica la flecha 211, tira de la polea proximal en la dirección proximal. La fuerza se transmite a través de los enlaces 214 proximales, lo que a su vez hace que las puntas 208 de las mordazas de la pinza de agarre se separen en la dirección de las flechas 209 como se representa en la figura 12A. Cuando se tensa un segundo cable como indica la flecha 212, tira de la polea distal en dirección proximal. La fuerza se transmite a través de los enlaces 213 distales, lo que a su vez hace que las puntas 208 de las mordazas de la pinza de agarre se muevan juntas en la dirección de las flechas 210, como se representa en la figura 12B. El mecanismo de pinza de agarre en su realización actual tiene una relación no lineal entre el movimiento de los cables del actuador y el movimiento de las puntas de las mordazas de la pinza de agarre. Este movimiento no lineal proporciona la mayor ventaja mecánica cuando las mordazas están cerradas. Esto tiene el beneficio de permitir que la pinza de agarre maneje las cargas elevadas que ve durante el manejo de herramientas pequeñas, tal como agujas y al mismo tiempo proporciona menos fuerza al agarrar objetos grandes, tal como tejido.
En modos de realización alternativos, se utilizan un enlace y una polea únicos para mover las puntas de agarre en ambas direcciones. Un cable tira desde la dirección proximal y el otro cable desde la dirección distal. Si bien el enlace dual de un modo de realización permite que ambos cables tiren desde la dirección proximal, simplificando por tanto el guiado de los cables, tiene una mayor complejidad y más partes. En otro modo de realización, un resorte u otro dispositivo de almacenamiento de energía proporciona un accionamiento en una dirección mientras que un único cable de accionamiento proporciona un accionamiento en la dirección opuesta.
En un modo de realización, las mordazas 187 y 188 (figura 11B), así como todos los enlaces y poleas conectados, se insertan en el cuerpo de pinza de agarre macho y el cuerpo de pinza de agarre hembra montados. Como se describió anteriormente, estas partes se fijan en su lugar mediante los pasadores formados en los cuerpos 182 y 183 de sujeción por flexión. Los pasadores 199 y 200 que retienen una mordaza 187 de pinza de agarre están unidos rígidamente a los cuerpos de sujeción por flexión. Sin embargo, los pasadores 201 y 202 que retienen la segunda pinza 188 de agarre no están fijados rígidamente a los cuerpos de sujeción por flexión. Las flexiones 194 y 195 enlazan los pasadores 201 y 202 a sus respectivos cuerpos de sujeción por flexión.
Cuando se ejerce fuerza sobre las puntas de las pinzas de agarre, se proporciona una fuerza que actúa para desplazar la posición de los pasadores 199, 200, 201 y 202. Aunque los pasadores 199 y 200 permanecen rígidamente fijos, los pasadores 201 y 202 se desplazan ligeramente bajo la carga a medida que las flexiones se deforman elásticamente. El desplazamiento exacto de las flexiones se puede medir por medio de medidores de tensión fijados a las flexiones y situados dentro de los bolsillos 196 de medidores de tensión (figura 11A) y otro bolsillo similar en el otro lado del dispositivo, no visible en las figuras. Se puede utilizar una técnica estándar para adquirir información y calcular la deformación por flexión y las fuerzas de la pinza de agarre.
El tamaño de la flexión se elige de manera que los medidores de tensión puedan medir las fuerzas apropiadas para la aplicación. En el caso de que la fuerza de la pinza de agarre exceda el rango de deformación elástica de las flexiones, las flexiones hacen contacto con ambos lados de las cavidades del extensómetro y se detienen por completo.
Utilizando las dimensiones y propiedades mecánicas de la flexión, la fuerza que actúa en el extremo de las mordazas de pinza de agarre se calcula continuamente. La fuerza se puede retroalimentar al cirujano a través de varios medios, como retroalimentación háptica o mediante señales visuales en la consola de control. Adicionalmente, los algoritmos de control de fuerza pueden proporcionar un control de bucle cerrado de la fuerza de agarre. Los límites del software están habilitados para evitar daños al tejido por el empleo de fuerzas inaceptables. Estos límites podrán modificarse durante un procedimiento ya sea por medios manuales o automatizados.
Los modos de realización alternativos incluyen medidores de tensión colocados en cualquier lugar en el sistema, como en los enlaces de conexión o en las propias pinzas de agarre. Se pueden diseñar celdas de carga verdadera en elementos de la pinza de agarre, proporcionando por tanto mayor precisión y capacidad de repetición de las mediciones.
Ajuste de la longitud de brazo
En un modo de realización, los brazos 103 y 104 robóticos (figura 1A) están configurados con segmentos 108 de extensión para aumentar la longitud del brazo. Esta mayor longitud del brazo permite un mejor alcance dentro de la cavidad abdominal. Las extensiones se utilizan para permitir el ajuste de la longitud del brazo sin modificar el diseño del actuador. Por ejemplo, un modo de realización del dispositivo para uso pediátrico podría requerir brazos más pequeños para maniobrabilidad dentro de una cavidad abdominal más pequeña. Un dispositivo de este tipo podría diseñarse retirando las extensiones del brazo. Los modos de realización alternativos con cambios de longitud muy significativos requieren modificaciones en la posición de la cámara y el ancho de los hombros para mantener proporciones similares a las de un humano.
La figura 13 muestra una vista de los segmentos de extensión utilizados en un modo de realización. Dichos segmentos de extensión están formados a partir de una sola pieza de metal con extremos proximal y distal para permitir la conexión al actuador proximal existente en un sitio 215 de conexión proximal y al actuador distal en un sitio 216 de conexión distal. Adicionalmente, un canal 217 central formado en el dispositivo permite que los cables pasen a través de la extensión desde el actuador proximal al actuador distal.
Las cirugías complejas a menudo requieren más de un cirujano para su operación. Con esto en mente, diseñamos un modo de realización de cuatro brazos del dispositivo para uso de dos cirujanos. La figura 14A muestra el dispositivo del modo de realización de cuatro brazos. Un dispositivo de este tipo tiene cuatro brazos y dos cámaras, todos insertados a través de un único trocar. Este modo de realización de cuatro brazos permite que dos cirujanos trabajen juntos. En el modo de realización de cuatro brazos, dos dispositivos similares al de un modo de realización se insertan por separado en la cavidad abdominal, permitiendo por tanto que dos cirujanos utilicen los dos dispositivos robóticos.
La figura 14A muestra el modo de realización de cuatro brazos configurado para que dos cirujanos trabajen a lo largo de un lado del dispositivo. En esta orientación, es como si un cirujano estuviera detrás del otro cirujano. Utilizando la capacidad de cada dispositivo de dos brazos para operar en cualquier lado del dispositivo como se describió anteriormente, los cirujanos pueden elegir el área en la que se utiliza el modo de realización de cuatro brazos. Los cirujanos pueden orientar ambos sistemas de dos brazos para operar en cualquier lado del dispositivo de cuatro brazos (con ambos dispositivos de dos brazos mirando hacia la misma dirección). Alternativamente, los cirujanos pueden orientar ambos dispositivos de dos brazos uno frente al otro para operar en el área entre los dos dispositivos. Los cirujanos pueden incluso estar de espaldas entre sí para operar por separado a cada lado del paciente.
Con dos dispositivos en la cavidad abdominal, el enlace 218 de conexión opcional permite interconectar rígidamente los dos dispositivos. Este mecanismo de enlace se inserta en el abdomen en secuencia con los dos dispositivos robóticos. Por ejemplo, un cirujano puede insertar un dispositivo robótico, luego insertar el enlace de conexión y luego insertar el segundo dispositivo robótico a través de un trocar. El mecanismo de enlace de conexión también puede incluir un soporte 219 central opcional. Este soporte sirve para fijar de forma rígida el enlace de conexión y, con ello, los dispositivos robóticos al exterior a través de una segunda incisión en la pared abdominal del paciente. Este segundo soporte, además de cada soporte de conducto 100, permite una mayor rigidez del dispositivo. Un soporte central muy delgado puede pasar a través de la pared abdominal mediante un catéter colocado con una aguja similar a un angiocatéter. Este pequeño catéter elimina casi por completo las lesiones al paciente causadas por el recorrido del soporte central de la pared abdominal.
En un diseño, cables adicionales pasan a través de cada conducto 100 (figura 7B) y en cada cuerpo 131 central principal. Estos cables continúan pasando a través de los recorridos 137 y hacia cada miembro del enlace 218 de conexión (figura 14A) con al menos un cable que termina en el soporte central. Dichos cables tienen una holgura significativa para la inserción de los dispositivos y todas las partes en la cavidad abdominal. Una vez que todas las partes del dispositivo se insertan en la cavidad abdominal, el cirujano puede tirar de los extremos de los cables, juntando así todos los miembros del enlace de conexión. Este proceso de montaje funciona de manera similar al montaje de una tienda de campaña donde los segmentos de los postes de la tienda permanecen unidos por una cuerda. Una fuerza mecánica constante aplicada a estos cables puede servir para sujetar firmemente los enlaces de conexión durante el uso.
Alternativamente, el cirujano puede retirar el enlace de conexión o utilizar un dispositivo sin enlace de conexión proporcionado. Se podrían usar dos dispositivos como los descritos en un modo de realización durante una única cirugía sin necesidad de enlace de conexión. Algunos modos de realización de un sistema de cuatro brazos están diseñados para su inserción a través de un único trocar de cuatro brazos con espacio para ambos miembros del conducto, como se muestra en la figura 14B. Otros modos de realización se colocan a través de dos trocares de dos brazos estándar. Algunos modos de realización permiten que los controles de software se interconecten de manera que los cirujanos puedan usar comandos de software para cambiar qué brazos controlan, incluso eligiendo uno o dos de los brazos dentro del abdomen para el control. Opcionalmente, los brazos pueden bloquearse en su lugar mediante software cuando no están bajo el control de un cirujano, lo que permite a un solo cirujano alternar entre el control de numerosos dispositivos.
Además de los aspectos de la invención reivindicados a continuación, la invención también incluye los siguientes aspectos y modos de realización. El sistema de la invención puede incluir sistemas para acoplar dos dispositivos robóticos de dos brazos entre sí. El sistema de la invención también puede incluir trocares para la inserción y soporte del dispositivo robótico, fundas de trocar para soporte de un conducto del dispositivo y fundas de trocar con una cámara y un sistema de iluminación. También se consideran parte de la invención las configuraciones de sensores para la adquisición del movimiento del brazo y la mano del cirujano. También se considera que la invención incluye dispositivos para cirugía robótica de realidad virtual en los que los actuadores robóticos no están acoplados permanentemente con sistemas de cámaras y dispositivos para cirugía robótica de realidad virtual en los que los actuadores robóticos no están acoplados con sistemas de cámaras dentro de la cavidad abdominal. La invención también abarca dispositivos robóticos de realidad virtual para su uso en montaje de partes pequeñas, desactivación de bombas, inspección y reparación en espacios cerrados, así como cualquier otro uso de la robótica de realidad virtual.
Otros aspectos de la invención incluyen una cámara de realidad virtual situada con respecto a accionamientos robóticos de manera similar a la posición de los ojos humanos con respecto a los brazos humanos y una cámara de realidad virtual con una relación similar a la de un humano entre la distancia entre las cámaras y el tamaño de los brazos robóticos. Un aspecto adicional de la invención es la limitación por ordenador del movimiento robótico. También es inventiva, además de las características reivindicadas, la inserción del dispositivo utilizando un cuerpo de inserción y un cuerpo de inserción que incluye sensores para detectar el contacto o la proximidad con el cuerpo del paciente. Con respecto a la(s) cámara(s) para uso con el sistema quirúrgico de realidad virtual, los aspectos inventivos incluyen el movimiento de la cámara dentro del cuerpo de cámara, cámaras con lentes asféricas combinadas con ajuste por ordenador y corrección de la imagen, cámaras con lentes de gran angular, cámaras con lentes de gran angular combinado con ajuste y corrección de la imagen por ordenador y cámaras con capacidad de zum digital o mediante medios mecánicos. Aumento de la realidad que muestra un cristal de aumentos o lupa para permitir un zum natural similar al de un humano y la colocación de dispositivos de realidad aumentada dentro del abdomen, visualización de un monitor de ordenador virtual dentro del abdomen y retroalimentación al cirujano a través de la realidad aumentada y la visualización del brazo robótico. o dispositivos asociados también son aspectos de la presente invención. Otro aspecto inventivo del sistema es el entrelazado de imágenes de muchas cámaras para formar una imagen única.
La refrigeración de sistemas que utilizan solución salina también forma parte de la invención. Otro aspecto de la invención son las fibras ópticas que proporcionan luz y se insertan a través de una serie de pequeñas incisiones. También forma parte del sistema inventivo el escalado del movimiento entre los brazos del cirujano y el dispositivo robótico mediante un factor de escalado constante, el escalado del movimiento entre los brazos del cirujano y el dispositivo robótico mediante un factor de escalado configurable por el usuario y el escalado del movimiento entre los brazos del cirujano y el dispositivo robótico mediante un factor de escalado que se ajusta basándose en la tasa de cambio en la posición de los brazos del cirujano. Otros aspectos inventivos más del sistema incluyen el uso de un único rodamiento de bolas para proporcionar soporte de carga tanto axial como radial, actuadores con un rango de movimiento superior al movimiento requerido para permitir que el dispositivo funcione tanto en el primer lado como en el segundo lado y uso de codificadores de efecto Hall para adquirir datos de posición desde el interior de la cavidad abdominal. Con respecto a la pinza de agarre, los aspectos inventivos incluyen el uso de poleas para proporcionar una ventaja mecánica dentro de la pinza de agarre, mecanismos de doble enlace dentro de la pinza de agarre para permitir que dos cables de accionamiento tiren desde el lado proximal de la pinza de agarre, con un cable abriendo la pinza de agarre y el segundo cable que cierra la pinza de agarre, uso de flexiones fijadas a un pasador de pivote de la mordaza de pinza de agarre para permitir una medición precisa de la fuerza de la pinza de agarre mediante el uso de un medidor de tensión colocado a lo largo de la flexión y el uso de células de carga diseñadas en un enlace de la pinza de agarre.
Las técnicas y sistemas descritos en este documento pueden tener ciertos componentes de control implementados como un producto de programa informático para su uso con un sistema informático o dispositivo electrónico informatizado. Dichas implementaciones pueden incluir una serie de instrucciones informáticas o lógica, fijadas en un medio tangible, tal como un medio legible por ordenador (por ejemplo, un disquete, un CD-ROM, una ROM, una memoria flash u otra memoria o disco fijo) o transmisibles a un sistema informático o un dispositivo, a través de un módem u otro dispositivo de interfaz, tal como un adaptador de comunicaciones conectado a una red a través de un medio.
El medio puede ser un medio tangible (por ejemplo, líneas de comunicación ópticas o analógicas) o un medio implementado con técnicas inalámbricas (por ejemplo, Wi-Fi, celular, microondas, infrarrojos u otras técnicas de transmisión). La serie de instrucciones informáticas implementa al menos parte de la funcionalidad aquí descrita con respecto al sistema. Los expertos en la técnica deberían apreciar que dichas instrucciones informáticas pueden escribirse en varios lenguajes de programación para su uso con muchas arquitecturas informáticas o sistemas operativos.
Además, dichas instrucciones pueden almacenarse en cualquier dispositivo de memoria tangible, tales como un semiconductor, dispositivos de memoria magnéticos, ópticos de otro tipo y pueden transmitirse utilizando cualquier tecnología de comunicación, como óptica, infrarroja, microondas u otras tecnologías de transmisión.
Se espera que dicho producto de programa informático pueda distribuirse como un medio extraíble acompañado de documentación impresa o electrónica (por ejemplo, software empaquetado), precargado con un sistema informático (por ejemplo, en la ROM del sistema o en un disco fijo) o distribuido desde un servidor o tablón de anuncios electrónico a través de la red (por ejemplo, Internet o red mundial de internet). Por supuesto, algunos modos de realización de la invención pueden implementarse como una combinación de software (por ejemplo, un producto de programa informático) y hardware. Otros modos de realización más de la invención se implementan completamente como hardware o completamente como software (por ejemplo, un producto de programa informático).

Claims (17)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema para uso en cirugía que comprende:
un cuerpo (101) central;
un sistema (231) de renderizado de vídeo para generar imágenes basadas en información de al menos una primera cámara (128); y
una pantalla (220) montada en la cabeza para mostrar imágenes del sistema (231) de renderizado de vídeo; un sistema (102) de visualización que comprende:
la al menos primera cámara (128) y
al menos uno de un sistema de panorámica o un sistema (127) de inclinación;
un primer sistema sensor para seguir al menos una de la posición en el espacio de la pantalla (220) montada en la cabeza con respecto a un primer punto de referencia o la orientación en el espacio de la pantalla (220) montada en la cabeza con respecto al primer punto de referencia, en donde al menos uno de el sistema de panorámica o el sistema (127) de inclinación están configurados para ajustar el campo de visión de la cámara en respuesta a información del primer sistema sensor sobre cambios en al menos una de la posición o la orientación en el espacio de la pantalla (220) montada en la cabeza con respecto al primer punto de referencia;
un dispositivo (103, 104) robótico conectado operativamente al cuerpo (101) central, en donde el dispositivo (103, 104) robótico comprende:
un primer actuador (111) giratorio para girar una primera porción del dispositivo (103, 104) robótico con respecto a una segunda porción del dispositivo (103, 104) robótico, en donde el primer actuador (111) está conectado operativamente al cuerpo (101) central; un primer actuador (112) articulado para cambiar el ángulo entre una tercera porción del dispositivo (103, 104) robótico y una cuarta porción del dispositivo (103, 104) robótico acoplado operativamente al primer actuador (111) giratorio, en donde el primer actuador (111) giratorio y el primer actuador (112) articulado están configurados para imitar el movimiento de un hombro humano; un segundo actuador (113) giratorio para girar una quinta porción del dispositivo (103, 104) robótico con respecto a una sexta porción del dispositivo (103, 104) robótico acoplado operativamente al primer actuador (112) articulado, en donde el segundo actuador (113) giratorio está configurado para imitar el giro hacia adentro y hacia afuera de un brazo humano; un segundo actuador (114) articulado para cambiar el ángulo entre una séptima porción del dispositivo (103, 104) robótico y una octava porción del dispositivo (103, 104) robótico acoplado operativamente al segundo actuador (113) giratorio, en donde el segundo actuador (114) articulado está configurado para imitar el movimiento de un codo humano; un tercer actuador (115) giratorio para girar una novena porción del dispositivo (103, 104) robótico con respecto a una décima porción del dispositivo (103, 104) robótico acoplado operativamente al segundo actuador (114) articulado, en donde el tercer actuador (115) giratorio está configurado para imitar el giro de una palma humana; un tercer actuador (116) articulado para cambiar el ángulo entre una undécima porción del dispositivo (103, 104) robótico y una duodécima porción del dispositivo (103, 104) robótico acoplado operativamente al tercer actuador (115) giratorio, en donde el tercer actuador articulado está configurado para imitar el movimiento de una muñeca humana; un efector (109) terminal quirúrgico acoplado operativamente al tercer actuador (116) articulado;
un segundo sistema sensor para seguir un cambio en una o más de una posición o una orientación asociada con una porción de un brazo de un usuario;
un sistema informático para calcular un cambio en una o más de una posición o una orientación de al menos una de las doce porciones del dispositivo (103, 104) robótico en respuesta al cambio en una o más de una posición o una orientación de la porción del brazo del usuario basándose en los grados de libertad de un brazo humano; y un sistema de control para ajustar al menos una de las posiciones u orientaciones de al menos uno del primer actuador (111) giratorio, el segundo actuador (113) giratorio, el tercer actuador (115) giratorio, el primer actuador (112) articulado, el segundo actuador (114) articulado, el tercer actuador (116) articulado, o el efector (109) terminal quirúrgico para hacer que el dispositivo (103, 104) robótico siga los cambios en una o más de una posición o una orientación de la porción del brazo del usuario según la una o más de las posiciones o las orientaciones calculadas de al menos una de las doce porciones del dispositivo (103, 104) robótico de modo que al menos una de las doce porciones del dispositivo (103, 104) robótico imita el movimiento del brazo del usuario.
2. El dispositivo de la reivindicación 1, el sistema (231) de renderizado de vídeo además para ajustar digitalmente el campo de visión de las imágenes generadas basándose en información del primer sistema sensor.
3. El dispositivo de la reivindicación 1, el sistema de visualización (102) que comprende además una segunda cámara (129).
4. El dispositivo de la reivindicación 3, las imágenes generadas por el sistema (231) de renderizado de vídeo que comprenden imágenes estereoscópicas basadas en información de la primera y segunda cámaras (128, 129).
5. El dispositivo de la reivindicación 3 en donde, en una configuración de inserción, las dimensiones de la sección transversal del sistema (102) de visualización en un plano normal a un eje de inserción son menores que una distancia central entre la primera cámara (128) y la segunda cámara (129) a lo largo del eje de inserción.
6. El dispositivo de la reivindicación 1 que comprende una pluralidad de cámaras.
7. El dispositivo de la reivindicación 6, el sistema de renderizado de vídeo (231) que genera las imágenes basándose en entrelazado de software de una señal de información a partir de la pluralidad de cámaras.
8. El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende además al menos un sensor de cámara para medir una o más de una posición o una orientación de al menos la primera cámara (128).
9. El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende además un segundo dispositivo robótico conectado operativamente al cuerpo central que comprende:
un cuarto actuador giratorio para girar una primera porción del segundo dispositivo robótico con respecto a una segunda porción del segundo dispositivo robótico, en donde el cuarto actuador giratorio está conectado operativamente al cuerpo (101) central;
un cuarto actuador articulado para cambiar el ángulo entre una tercera porción del segundo dispositivo robótico y una cuarta porción del segundo dispositivo robótico acoplado operativamente al cuarto actuador giratorio;
un quinto actuador giratorio para girar una quinta porción del segundo dispositivo robótico con respecto a una sexta porción del segundo dispositivo robótico acoplado operativamente al cuarto actuador articulado;
un quinto actuador articulado para cambiar el ángulo entre una séptima porción del segundo dispositivo robótico y una octava porción del segundo dispositivo robótico acoplado operativamente al quinto actuador giratorio;
un sexto actuador giratorio para girar una novena porción del segundo dispositivo robótico con respecto a una décima porción del segundo dispositivo robótico acoplado operativamente al quinto actuador articulado;
un sexto actuador articulado para cambiar el ángulo entre una undécima porción del segundo dispositivo robótico y una duodécima porción del segundo dispositivo robótico acoplado operativamente al sexto actuador giratorio; y un segundo efector terminal quirúrgico acoplado operativamente al sexto actuador articulado.
10. El sistema de la reivindicación 1, en donde al menos uno de el primer (112), el segundo (114) y el tercer (116) actuadores robóticos articulados comprenden:
un primer cuerpo que comprende:
un componente de conexión proximal que acopla el actuador robótico a sistemas proximales, y
una primera superficie de rodamiento;
un segundo cuerpo que comprende:
un componente de conexión distal que acopla el actuador robótico a sistemas distales, y
una segunda superficie de rodamiento que forma un apoyo con la primera superficie de rodamiento por lo que el apoyo limita el movimiento del primer cuerpo con respecto al movimiento del segundo cuerpo en al menos un grado de libertad;
al menos uno de una polea y un cabrestante acoplado operativamente con al menos uno del primer cuerpo y el segundo cuerpo;
un cable actuador configurado para accionar al menos uno de la polea y el cabrestante; y
al menos una superficie contorneada definida por el actuador robótico y que forma un recorrido contorneado para permitir que una pluralidad de cables adicionales pasen a través del recorrido desde sistemas acoplados al componente de conexión proximal hasta sistemas acoplados al componente de conexión distal en donde una forma y una posición del recorrido es tal que las longitudes de los cables adicionales permanecen sustancialmente constantes durante sustancialmente todo el rango de movimiento para el cual se utiliza el actuador robótico.
11. El sistema de la reivindicación 1, en donde al menos uno de, el primer (112), el segundo (114) y el tercer (116) actuadores robóticos articulados comprenden:
un primer cuerpo que comprende un componente de conexión proximal;
un segundo cuerpo que comprende un componente de conexión distal;
un sistema de rodamientos que limita el movimiento del primer cuerpo con respecto al segundo cuerpo en todos los grados de libertad excepto el giro alrededor de un eje perpendicular al eje distal-proximal del actuador robótico; al menos uno de una polea o un cabrestante acoplado operativamente con al menos uno de el primer cuerpo y el segundo cuerpo;
un cable actuador configurado para accionar al menos uno de la polea y el cabrestante; y
al menos una superficie contorneada definida por el actuador robótico y que forma un recorrido contorneado para permitir que una pluralidad de cables adicionales pasen a través del recorrido desde sistemas acoplados al componente de conexión proximal hasta sistemas acoplados al componente de conexión distal en donde una forma y una posición del recorrido son tales que las longitudes de los cables adicionales permanecen sustancialmente constantes durante sustancialmente todo el rango de movimiento para el cual se utiliza el actuador robótico.
12. El sistema de la reivindicación 1, en donde al menos uno de, el primer (111), el segundo (113) y el tercer (115) actuadores robóticos articulados comprenden:
un primer cuerpo que comprende un componente de conexión proximal;
un segundo cuerpo que comprende un componente de conexión distal;
un sistema de rodamientos que limita el movimiento del primer cuerpo con respecto al segundo cuerpo en todos los grados de libertad excepto el giro alrededor del eje distal-proximal del actuador robótico;
al menos uno de, una polea o un cabrestante acoplado operativamente con al menos uno de, el primer cuerpo o el segundo cuerpo;
un cable actuador configurado para accionar al menos uno de la polea y el cabrestante; y
un agujero definido por el actuador robótico con un diámetro interior de al menos tres veces el diámetro del cable del actuador configurado de manera que cables adicionales puedan pasar a través del agujero desde sistemas acoplados al componente de conexión proximal hasta sistemas acoplados al componente de conexión distal en donde una forma y una posición del agujero son tales que las longitudes de los cables adicionales permanecen sustancialmente constantes durante sustancialmente todo el rango de movimiento para el cual se utiliza el actuador robótico.
13. El sistema de la reivindicación 1, en el que el efector (109) terminal quirúrgico comprende:
un cuerpo de pinza de agarre principal;
una primera mordaza de pinza de agarre acoplada operativamente al cuerpo de pinza de agarre principal;
una segunda mordaza de pinza de agarre acoplada operativamente al cuerpo de pinza de agarre principal;
un cable de accionamiento; y
un mecanismo de enlace que acopla al menos una de la primera mordaza de pinza de agarre y la segunda mordaza de pinza de agarre con el cable de accionamiento en el que el mecanismo de enlace proporciona un movimiento no lineal de un extremo distal de al menos una de la primera mordaza de pinza de agarre o la segunda mordaza de pinza de agarre en respuesta al movimiento del cable de accionamiento.
14. La pinza de agarre quirúrgica de la reivindicación 13 que comprende además un medidor de tensión fijado a al menos uno del cuerpo principal de la pinza de agarre, la primera mordaza de pinza de agarre, la segunda mordaza de pinza de agarre, el cable de accionamiento, y el mecanismo de enlace en donde se establece un valor de fuerza entre el extremo distal de primera mordaza de pinza de agarre y el extremo distal de la segunda mordaza de pinza de agarre se determina basándose en la información del medidor de tensión.
15. La pinza de agarre quirúrgica de la reivindicación 14 que comprende además una interfaz de operador que incluye un dispositivo de retroalimentación háptica para proporcionar retroalimentación háptica a un usuario de la interfaz de operador basándose en la información del medidor de tensión.
16. La pinza de agarre quirúrgica de la reivindicación 13 que comprende además al menos uno de bucles de control de software y hardware para controlar al menos una de la fuerza de las mordazas de pinza de agarre y la posición de las mordazas de pinza de agarre.
17. El sistema de la reivindicación 1, en el que el sistema de visualización está conectado operativamente al cuerpo central.
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