Estimación de fuerza para un sistema de cirugía robotizada mínimamente invasiva.

Sistema médico mínimamente invasivo que comprende un manipulador (10) que presenta una unidad efectora (12) provista de un sensor de fuerza/par de 6 grados de libertad (6-DOF) (30) y configurada para sujetar un instrumento mínimamente invasivo (14) que presenta un primer extremo (16) montado en dicha unidad efectora y un segundo extremo (20) situado más allá de un fulcro externo (23) que limita dicho instrumento en movimiento,

comprendiendo dicho sistema un dispositivo informático programable, caracterizado por que dicho dispositivo informático está programado para:

determinar una posición de dicho instrumento con respecto a dicho fulcro;

tratar las mediciones realizadas mediante el sensor de fuerza/par de 6-DOF de una fuerza y un par ejercidos sobre dicha unidad efectora mediante dicho primer extremo de dicho instrumento; y para calcular mediante el principio de superposición una estimación de una fuerza ejercida sobre el segundo extremo de dicho instrumento sobre la base de dicha posición determinada, dicha fuerza medida y dicho par medido.

Estimación de fuerza para un sistema de cirugía robotizada mínimamente invasiva.

Campo técnico

La presente invención se refiere en general al campo de los procedimientos médicos mínimamente invasivos, incluyendo procedimientos quirúrgicos y diagnósticos. Más particularmente, la invención como se define en la reivindicación se refiere a un sistema para estimación de fuerzas, que tiene la capacidad de determinar fuerzas ejercidas sobre un paciente, especialmente por la punta de un instrumento mínimamente invasivo, pero también en el nivel del puerto de acceso del instrumento al cuerpo del paciente.

Introducción Es bien sabido que las intervenciones mínimamente invasivas tienen la ventaja de reducir la cantidad de tejido extraño que queda dañado durante los procedimientos diagnósticos o quirúrgicos. Esto da como resultado un menor tiempo de recuperación del paciente, un menor malestar, menos efectos secundarios dañinos, y costes más bajos de la estancia hospitalaria. Hoy en día, en las especialidades de cirugía general, urología, ginecología y cardiología, se ha producido un aumento del número de intervenciones realizadas mediante técnicas mínimamente invasivas, tales como técnicas laparoscópicas.

Las técnicas mínimamente invasivas manuales en general, y la laparoscopia en particular, plantean requisitos estrictos para el cirujano que lleva a cabo la operación. El cirujano opera en una postura incómoda y cansada, con un campo de visión limitado, con reducción de la destreza, y con una percepción táctil deficiente. A estos problemas se suma el hecho de que los cirujanos tienen que realizar con frecuencia varias intervenciones consecutivas cada día, durando cada intervención, por ejemplo, de 30 minutos a varias horas. A pesar de las dificultades inherentes, se espera que la tendencia hacia procedimientos mínimamente invasivos crezca de manera adicional en los próximos años, debido al aumento de la edad media de la población y a la presión de los costes en el campo de la medicina.

Evidentemente, en la laparoscopia por ejemplo, se requiere que los cirujanos sean tan precisos en sus movimientos como en la laparotomía. No les ayuda en su tarea tener que manipular instrumentos de árbol largo con la destreza motriz reducida a cuatro grados de libertad en torno a un fulcro (punto de pivotamiento) en el puerto de acceso del instrumento (denominado también trocar) , es decir, en la incisión en el cuerpo del paciente. Aparecen complicaciones por el hecho, entre otros, de que la postura requerida es normalmente fatigante y reduce la ya limitada percepción de las fuerzas de interacción entre el instrumento y los tejidos. Como consecuencia, las capacidades motoras de un cirujano disminuyen normalmente después de entre 20 y 30 minutos, de tal manera que aparecen, entre otros, temblores, pérdida de precisión y pérdida de sensibilidad táctil, con los consecuentes riesgos para el paciente. Por ello, están saliendo a la luz nuevas tecnologías asistidas por ordenador y/o robot, tales como la Cirugía Robótica Mínimamente Invasiva (MIRS) . Estas tecnologías tienen como objetivo mejorar la eficiencia, la calidad y la seguridad de la intervención.

Antecedentes de la técnica Teniendo en cuenta lo anterior, la MIRS ha experimentado un desarrollo significativo durante la última década. Dos de los sistemas robotizados comerciales representativos son el sistema conocido con la marca comercial "DA VINCI" desarrollado por Intuitive Surgical Inc., Sunnyvale, California, y el sistema conocido con la marca comercial "ZEUS" desarrollado originalmente por Computer Motion Inc., Goleta, California. El sistema conocido con la denominación "DA VINCI" ha sido descrito por, entre otros, Moll et al., en las patentes US nº 6.659.939, US nº 6.837.883 y otros documentos de patente del mismo cesionario. El sistema conocido con la denominación "ZEUS" ha sido descrito por, entre otros, Wang et al., en las patentes US nº 6.102.850, US nº 5.855.583, US nº 5.762.458, US nº 5.515.478 y otros documentos de patente cedidos a Computer Motion Inc., Goleta, California.

Estos sistemas robotizados teleoperados permiten controlar intervenciones quirúrgicas o bien directamente desde el escenario de la operación o bien desde un emplazamiento remoto, generalmente usando solo retroalimentación visual bidimensional o tridimensional. En cualquiera de los casos, se elimina la cansada postura del cirujano. Además, estos sistemas tienden a proporcionar al cirujano la sensación de trabajar en condiciones abiertas, por ejemplo, como en la laparotomía, y eliminan la fatigosa postura antes mencionada.

Típicamente, los sistemas de MIS teleoperados, disponibles en la actualidad, no ofrecen una verdadera retroalimentación de las fuerzas táctiles (a lo cual se hace referencia como retroalimentación de fuerzas posteriormente) en la consola por medio de la cual el cirujano da instrucciones al robot (s) . Por ello, el cirujano carece de una sensación háptica verdadera de las fuerzas ejercidas sobre órganos y tejidos. Con sistemas de este tipo, el cirujano debe confiar en la retroalimentación visual y en su experiencia para limitar la interacción de los instrumentos con el entorno interno del paciente. En relación con esto, se han realizado trabajos de investigación referentes a un sistema de retroalimentación de fuerzas, sin sensores, asistido por ordenador, basado en el concepto de que un ordenador podría reproducir aquello que es capaz de implementar un cirujano versado en procedimientos de MIS

manuales. En otras palabras, un ordenador podría estimar fuerzas a partir de deformaciones observadas por la visión. Un ejemplo de dichos intentos se encuentra en: "Force feedback using vision"; Kennedy, C. y Desai, J. P.; International Conference on Advanced Robotics; Coimbra, Portugal, 2003. No obstante, dichos sistemas no alcanzan todavía un estado comercialmente viable.

Tal como se apreciará, la retroalimentación precisa de fuerzas se considera una característica crucial para garantizar seguridad en las operaciones y para mejorar la calidad de procedimientos llevados a cabo con sistemas mínimamente invasivos asistidos por máquinas. Por esta razón, se cree que la retroalimentación de fuerzas tiene una importancia primordial para las intervenciones teleoperadas.

En el nivel de la punta del instrumento, la detección de fuerzas permite, por ejemplo, la palpación de órganos y tejidos, lo cual es altamente deseable en procedimientos diagnósticos y para identificar áreas críticas, por ejemplo, con arterias. Otras posibles mejoras consisten en la limitación de la tensión por estiramiento en suturas y la limitación de fuerzas ejercidas sobre tejidos de acuerdo con el tipo y la fase específica de la intervención. En la práctica, las fuerzas de contacto se pueden mantener por debajo de un umbral dado aumentando escalas de movimiento, deteniendo el movimiento del manipulador, o aumentando la retroalimentación de fuerzas en el dispositivo maestro. Además, la detección de fuerzas permitiría trabajar de manera intuitiva con un instrumento que no se encuentra en el campo de visión de la cámara endoscópica, por ejemplo, cuando el asistente quirúrgico sostiene un órgano alejado del campo operatorio.

En el nivel del puerto de acceso, la detección de fuerzas resultaría beneficiosa para monitorizar y consecuentemente reducir fuerzas aplicadas por el instrumento en la incisión del puerto de acceso. Estas fuerzas son el motivo principal del deterioro de la incisión que podría conducir a una pérdida de presión abdominal, a que el trocar se soltase y a un aumento del tiempo de intervención debido a la necesidad de recuperar la situación. Estas fuerzas perjudiciales son provocadas principalmente por la ubicación imprecisa del fulcro (punto de pivotamiento) del instrumento, según determina el sistema y que se modifica debido a variaciones de la presión intra-abdominal, con respecto a la incisión del paciente, pero también por derivas de movimiento del manipulador (robot) debido a su imprecisión en el posicionamiento. En intervenciones manuales, estas fuerzas de deterioro son menos acentuadas debido a la capacidad humana de ajustar intuitivamente el movimiento de la mano con respecto al punto de pivotamiento óptimo en la incisión.

Para superar el problema de que el trocar se suelte, el sistema DA VINCI antes mencionado, por ejemplo, usa un trocar fijado a la muñeca del manipulador en el extremo del lado de inserción/extracción del instrumento. Esta solución no reduce el riesgo de deterioro de la incisión y no mejora la pérdida de presión abdominal.

Para superar este último problema en el nivel del trocar, en el texto "Achieving High Precision Laparoscopic Manipulation... [Seguir leyendo]

1. Sistema médico mínimamente invasivo que comprende un manipulador (10) que presenta una unidad efectora (12) provista de un sensor de fuerza/par de 6 grados de libertad (6-DOF) (30) y configurada para sujetar un instrumento mínimamente invasivo (14) que presenta un primer extremo (16) montado en dicha unidad efectora y un segundo extremo (20) situado más allá de un fulcro externo (23) que limita dicho instrumento en movimiento, comprendiendo dicho sistema un dispositivo informático programable, caracterizado por que dicho dispositivo informático está programado para:

determinar una posición de dicho instrumento con respecto a dicho fulcro;

tratar las mediciones realizadas mediante el sensor de fuerza/par de 6-DOF de una fuerza y un par ejercidos sobre dicha unidad efectora mediante dicho primer extremo de dicho instrumento; y para calcular mediante el principio de superposición una estimación de una fuerza ejercida sobre el segundo extremo de dicho instrumento sobre la base de dicha posición determinada, dicha fuerza medida y dicho par medido.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo informático programable está programado además para:

determinar una posición de referencia inicial de dicho instrumento respecto a dicho fulcro; y para determinar la posición de dicho instrumento respecto a dicho fulcro sobre la base de dicha posición de referencia inicial determinada y en actualización continua utilizando una información de movimiento de manipulador.

3. Sistema según la reivindicación 1 o 2, en el que dicho dispositivo informático programable está programado 25 además para:

calcular mediante el principio de superposición una estimación de una fuerza ejercida en dicho fulcro mediante dicho instrumento, sobre la base de dicha posición determinada, dicha fuerza medida y dicho par medido.

4. Sistema según la reivindicación 1, 2 o 3, en el que dicha unidad efectora está provista de un acelerómetro de 6-DOF y dicho dispositivo informático programable está programado además para:

tratar las mediciones realizadas mediante dicho acelerómetro de 6-DOF de una carga de gravedad y/o de cargas dinámicas ejercidas sobre dicho sensor de fuerza/par de 6-DOF; y para compensar dichas cargas de gravedad

y/o dinámicas en dicha fuerza medida y dicho par medido.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho dispositivo informático programable implementa un procedimiento de calibración siendo programado para:

hacer pasar dicha unidad efectora a través de un conjunto de posturas distribuidas por un espacio de trabajo de dicho manipulador;

registrar para cada postura una fuerza medida y un par medido; y para determinar las desviaciones de medición de fuerza y par sobre la base de dichas mediciones de fuerza y par registradas.

6. Sistema según las reivindicaciones 4 y 5, en el que dicho dispositivo informático programable está programado además para:

registrar para cada postura una aceleración lineal medida y una aceleración angular medida; y para determinar las desviaciones de medición de aceleración lineal y angular sobre la base de dichas mediciones de aceleración lineal y angular registradas.

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho dispositivo informático programable está 55 programado además para:

aplicar un filtro de Kalman lineal a los datos de fuerza y par medidos mediante el sensor de fuerza/par de 6-DOF antes de calcular dicha fuerza estimada;

o programado además para:

aplicar un filtro de Kalman lineal a dicha estimación de fuerza calculada.

8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, en el que dicho dispositivo informático programable está 65 programado además para:

aplicar un filtro de Kalman lineal principal a los datos de fuerza y par medidos mediante dicho sensor de fuerza/par de 6-DOF y a los datos de aceleración angular y lineal medidos mediante el acelerómetro de 6-DOF;

compensar las perturbaciones debidas a las cargas dinámicas y de gravedad tras la aplicación de dicho filtro de 5 Kalman lineal principal;

aplicar un filtro de Kalman lineal secundario a dichos datos de fuerza y par compensados.

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, en el que dicho filtro de Kalman, dicho filtro de Kalman principal y/o secundario respectivamente, está dispuesto en cascada y presenta una primera fase de filtro de Kalman lineal con un parámetro de covarianza de ruido de proceso fijado a un valor superior, preferentemente en el intervalo entre 0, 1 y 1, y una segunda fase de filtro de Kalman lineal con un parámetro de covarianza de ruido de proceso fijado a un valor inferior, preferentemente en el intervalo entre 0, 001 y 0, 1.

10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende además:

un instrumento mínimamente invasivo sin sensor; y/o un trocar sin sensor, preferentemente con un válvula de aire de base magnética y/o preferentemente sin tapón de 20 plástico, siendo dicho trocar más preferentemente un trocar sin tapón de gas y todavía más preferentemente un trocar sin tapón de gas realizado sustancialmente en un material plástico.

11. Producto de programa de software que comprende un código de programa almacenado en un soporte de almacenamiento legible por máquina para hacer que un dispositivo informático programable de un sistema médico mínimamente invasivo, comprendiendo dicho sistema un manipulador (10) que presenta una unidad efectora provista (12) de un sensor de fuerza/par de 6 grados de libertad (6-DOF) (30) y configurada para sujetar un instrumento mínimamente invasivo (14) que presenta un primer extremo (16) montado en dicha unidad efectora y un segundo extremo (20) ubicado más allá de un fulcro externo (23) que limita dicho instrumento en movimiento:

- determine una posición de dicho instrumento respecto a dicho fulcro;

-trate las mediciones realizadas mediante dicho sensor de fuerza/par de 6-DOF de una fuerza y un par ejercidos sobre dicha unidad efectora mediante dicho primer extremo de dicho instrumento; y

- calcule mediante el principio de superposición una estimación de una fuerza ejercida sobre el segundo extremo de dicho instrumento basándose en dicha posición determinada, dicha fuerza medida y dicho par medido;

cuando dicho código de programa se ejecuta o es cargado en dicho dispositivo informático programable.