STADIUL ACTUAL GENERAL PRIVIND ROBOTICA MEDICALAInteractiunea Doctor Robot - Pacientcomanda poziiei Computer

Chirurg Pacient

Robot

chirurgical Feedbackul Forei Robot Monitor video Fig. 1 Pentru a nelege de ce sunt folosii roboii n chirurgie, trebuie s tim ce avantaje prezint acetia fa de chirurg: au o precizie geometric bun; au o bun repetabilitate; nu obosesc; pot fi sterilizai; sunt rezisteni la radiaii i infecii; pot folosi senzori n plus fa de om (chimici, termici etc.). Roboii chirurgicali se folosesc n trei taskuri diferite, care vor fi analizate n continuare.

1. Robotica n chirurgia ortopedicOrtopedia reprezint unul din primele taskuri n care au fost utilizai roboii. Fa de esuturile moi, oasele sunt mai uor de manipulat. n plus, ele sunt puin deformabile, mai ales n timpul tierii. Aceste dou aspecte permit implementarea tehnicilor bazate pe un plan pre-operaie, existent n memoria computerului. Aceasta presupune faptul c, exist mai multe programe asociate cu: procedurile clasice manuale; anatomia teoretic general poriunii corpului n care se opereaz; anatomia specific pacientului care urmeaz s fie operat. 1

Aplicaiile chirurgicale ortopedice robotice cele mai des folosite sunt : montarea protezei de old; montarea protezei de genunchi; operaii pe coloana vertebral i mai rar, reconstrucie cranio-facial i tratamentul fracturilor. n fig. 1.1 este prezentat un robot utilizat n chirurgia ortopedic.

Fig. 1.1 Studiile efectuate au artat c operaia robotic are dou avantaje majore fa de cea clasic. Primul este acela c orificiul femural n care se introduce proteza este mult mai precis format. Al doilea avantaj l reprezint faptul c chirurgul poate optimiza mrimea i poziia implantului n funcie de pacient, datorit imaginilor i planurilor pre-operatorii i programelor specializate.

2

n cazul nlocuirii totale a genunchiului, aspectele importante de care depinde n mare msur reuita operaiei sunt: tierea corect a osului; alinierea femurului cu tibia; localizarea corect a punctelor de prindere a ligamentelor. Utilizarea radiografiilor pre-operatorii precum i planul de operaie pre-operator permit realizarea corect a implantului robotizat. n cazul operaiilor la coloana vertebral, care necesit introducerea unor componente mecanice ntre vertebre, erori mici de poziie sau orientare la suprafa (piele) pot conduce la penetrarea mduvei spinrii, cu consecine dezastruoase pentru pacient (paralizie). Aceste erori nu pot fi monitorizate n timpul operaiei, datorit pericolului de supraexpunere radiologic. De aceea, asistena pasiv a robotului prin utilizarea imaginilor i planurilor pre-operatorii este crucial.

2. Robotica n neurochirurgieNeurochirurgia a fost unul din primele taskuri ale chirurgiei robotizate. Datorit preciziei mari care se cere n ndeprtarea tumorilor, cheagurilor de snge, fragmentelor de os etc. pentru a nu leza pri sntoase ale creierului, folosirea imaginisticii pre-operatorii i a roboilor de mare precizie permite poziionarea i orientarea cu mare acuratee a instrumentarului. Din motive deontologice, de obicei, operaia efectiv este efectuat de chirurg. Radiochirurgia utilizeaz o bucic de substan radioactiv pe post de instrument chirurgical pentru distrugerea tumorilor cerebrale. Deoarece sursa de radiaie este de obicei mare i trebuie s urmreasc o traiectorie precis, roboii sunt utilizai ca platform de micare pentru aceast aplicaie vezi fig. 2.1.

3

Fig. 2.1

3. Robotica n chirurgia general i toracicChirurgia general i toracic robotizat este mai cunoscut sub numele de chirurgie minimal invaziv. Aceasta se datoreaz faptului c, spre deosebire de chirurgia clasic, unde deseori se fac incizii mari de zeci de centimetri, n acest caz se fac cteva incizii de 1-2 cm n peretele abdominal sau toracic. Aceste incizii permit intrarea capetelor mai multor (de obicei trei) brae robotice care pot s se mite n interiorul corpului. n acest caz, chirurgul nu opereaz direct pacientul, ci prin intermediul robotului, acionnd de la o consol vezi fig. 3.1, 3.2 si 3.3. De fapt, prin acest procedeu, se pot face chiar operaii la mare distan; astfel n fig. 3.2 i 3.3 este prezentat realizarea unei operaii transatlantice, realizat prin satelit. Aceste operaii folosesc de regul trei brae pentru realizarea operaiei. Unul din brae conine video-endoscopul, care permite preluarea imaginilor direct pe monitor vezi fig. 3.2.

4

Mecanismul de orientare este de obicei redundant, permind realizarea micrilor necesare n pofida constrngerilor datorate inciziei. Astfel, chirurgul poate ghida instrumentarul n diferite orientri n jurul diferitelor organe interne. Controlerul robotului reduce la scar micarea chirurgului, astfel nct robotul poate executa micri mai mici dect ar putea efectua chiar un chirurg foarte bun la o operaie clasic. Acest lucru a fost demonstrat n operaii foarte delicate, necesitnd proceduri microchirurgicale, cum ar fi cele utilizate la realizarea by-passurilor coronariene. Programele specializate permit la rndul lor ajutorarea medicilor i din alte puncte de vedere. Astfel de exemplu, pot s coreleze rotaia capului robotu-

Fig. 3.1 lui cu rotaia pe care o efectueaz chirurgul la pupitrul de comand, astfel nct, pe monitor rotirea capului robotului are aceeai direcie i sens cu rotirea manetei sau joystickului de comand al chirurgului. Pe de alt parte, toi aceti roboi chirurgicali dispun de programe speciale pentru compensarea tremorului (tremuratul) minii chirurgului.

5

Fig. 3.2

Fig. 3.3

6

4. Robotica pentru ajutorarea pacienilorA doua component major a roboticii medicale o reprezint ajutorarea pacienilor. n acest caz, robotica este utilizat cu preponderen n ajutorarea oamenilor handicapai, principalele aplicaii fiind: proteze pentru membrele umane; orteze pentru membrele umane; teleteze pentru handicapai. Conform celor spuse n definiia robotului , nu sunt considerate taskuri robotice acele aplicaii care nu exercit o modificare fizic a mediului. n acest caz, aplicaii cum sunt: proteze auditive sau vizuale; protezele organelor interne; asistena organelor interne (pacemaker etc.). Din prezentarea fcut reiese c robotica medical se adreseaz cu preponderen pacienilor cu handicap. Studiile statistice efectuate n SUA demonstreaz c 22,5% din populaie prezint handicap de diverse grade. Din acetia, 14,4%, adic 3,25%din populaia total, au o activitate redus datorat handicapului [GUI 88]. Peste 80% din acetia, adic 2,6% din populaia activ, au un handicap motor.

ProtezeProtezele membrelor au ca scop s nlocuiasc total sau parial o mn sau un picior. Istoricul protezelor este ndeprtat, prima protez gsit datnd nc de acum 2000 de ani. Din toate celelalte etape ale dezvoltrii umane, cum ar fi evul mediu au existat de asemenea proteze pentru nlocuirea membrelor umane. O prezentare detaliat de modele poate fi gsit n [STA 01]. Epoca modern i revoluia informatic au adus cu sine mbuntiri i n acest domeniu. Dac din punct de vedere mecanic lucrurile sunt destul de bine puse la punct, problemele mari care apar sunt: sursa de energie. Energia trebuie s fie ieftin, mic, uoar, puternic i durabil. n momentul de fa, cu toate progresele nregistrate n domeniu i cercetrile intense care se desfoar, nu a fost nc gsit o soluie satisfctoare; comanda protezei. n mod normal, proteza ar trebui s fie comandat de aceleai terminaii nervoase care comandau nainte membrul sau bucata de membru lips. Dei se fac studii numeroase n marile laboratoare i s-a reuit cuplarea microprocesoarelor de nervi, exist dou tipuri de probleme: modul de transmitere al informaiei de la dispozitivul electronic ctre creier; realizarea unei legturi durabile, deoarece neuronul tinde fie s se retrag, fie dup un timp relativ scurt nceteaz s mai funcioneze (moare). n fig. 4.1 este prezentat o protez de mn si utilizarea protezei pentru baut

7

Micrile protezei prezentate sunt comandate de un computer i un controller.

Fig. 4.1

Optim ar fi ca proteza s fie comandat direct de creierul omului. Pentru aceasta, motoarele i senzorii protezei ar trebui s fie legai de sistemul nervos al omului, prin care s transmit la creier i s primeasc de la acesta impulsurile necesare realizrii taskului dorit. Din pcate, aceasta presupune o tehnologie de care nu dispunem n momentul actual, deoarece: pe de o parte, nu se cunosc n ntregime mecanismele de funcionare a sistemului nervos uman; pe de alt parte, nc nu sunt puse bine la punct realizarea cuplrilor ntre componentele electronice de comand i control i neuronii umani.

OrtezeOrtezele au ca scop asistarea membrelor existente n ndeplinirea unor funcii lips sau reduse. Astfel, ortezele se monteaz pe membrul existent, ajutndu-l s efectueze diferite micri pe care membrul nu le poate efectua de loc sau parial. Este evident c exist mai multe diferene ntre proteze i orteze, care nu sunt ntotdeauna remarcate: n primul rnd, este vorba de structura mecanic ce difer radical ntre cele dou; senzorii difer ca tip i amplasare la orteze i proteze; 8

transmisiile utilizate sunt diferite, etc. n fig. 4.2 este prezentat o ortez de mn, care, montat pe mn i degete, ajut suplinirea micrilor acestor componente anatomice la un pacient cu deficiene de micare ( handicapat motor).

Fig. 4.2

n fig. 4.3 este prezentat o ortez pentru ambele membre inferioare, care are ca scop nlocuirea funciei motrice la un pacient paralizat. Acest exemplu este de fapt o ortez stpn-sclav telecomandat. Asta nseamn c exist dou proteze identice, una pentru bolnav ,i una pentru un om sntos, care l ajut pe primul. Ambii mbrac ortezele, care se afl tot timpul n aceeai poziie. Omul sntos mbrac orteza stpn, iar cel bolnav orteza sclav. Apoi, micrile efectuate de orteza stpn sunt preluate ntocmai, prin sistemul de comand i control, de orteza sclav. Trebuie fcut precizarea c termenii de stpn i sclav, dei pot prea ciudai, sunt acceptai n limbajul tehnic, provenind din limbile de circulaie internaional: master-slave, n limba englez, respectiv maitre-esclave, n limba francez, nsemnnd acelai lucru. Pentru aceast ortez a fost preferat aceast soluie telecomandat, deoarece n acest caz, pe lng micrile care trebuie efectuate, o problem important reprezint i meninerea echilibrului, care, la soluia aleas, este realizat de ctre omul sntos. Realizarea acestei cerine prin alte metode este destul de greu de ndeplinit, datorit: prezenei omului n interior, ale crui micri sunt deseori incontrolabile (trebuie s reamintim c omul este paralizat);

9

necesitii unor senzori giroscopici i a unor programe foarte complexe, care s calculeze instantaneu modelul dinamic al ansamblului om-ortez

Fig. 4.3

TeletezePrin denumirea de teletez se nelege un robot care, ataat la cruciorul unui bolnav paralizat, l ajut pe acesta la realizarea diferitelor sarcini zilnice vezi fig. 4.4. Robotul utilizat seamn cu un robot manufacturier. Unele laboratoare i universiti studiaz chiar posibilitatea utilizrii unor roboi industriali cu modificri n acest scop. Sarcinile pentru care este utilizat robotul difer foarte mult, n funcie de necesitile bolnavului.

10

Fig. 4.4 Aceste necesiti pot fi legate de: alimentaie, respectiv utilizarea unei linguri, furculie, pahar etc.; igien, respectiv splat, ras, machiat, baie etc.; sarcini casnice, respectiv mbrcat, aprins lumina, luat o ptur etc.; comunicare, adic inut telefonul la ureche, scris, citit, ntors pagini; hobby: pictur, croetat etc. Utilizarea unei teleteze, chiar performante, nu este o ntreprindere uoar. i asta din mai multe motive. n primul rnd, de o importan major este comunicarea om-main, care este esenial. Dar, teletezele sunt destinate cu prioritate bolnavilor tetraplegici, adic celor care datorit unor traumatisme sau din natere, sunt paralizai de la gt n jos. Asta nseamn c ei nu pot mica nici minile, nici picioarele, iar n unele cazuri nu pot nici vorbi. n asemenea cazuri extreme, sunt utilizai senzori speciali pentru ca omul, cu micri ale capului sau ale componentelor anatomice ale capului, s poat comanda robotul. Un astfel de senzor, mecanic este prezentat n fig. 4.5. Alte tipuri de senzori speciali utilizai n asemenea cazuri severe sunt: 1. senzori care preiau micrile capului: 11

1.1.mecanici; 1.1.1. cu mrci tensometrice; 1.1.2. cu bare articulate i senzori poteniometrici vezi fig. 4.5; 1.2.opto-electrici; 1.3.cu ultrasunete; 1.4.cu semnale mioelectrice; 1.5.electromagnetici; 1.6.accelerometrici; 2. senzori care preiau micrile globilor oculari: 2.1.utilizarea cmpului electric corneo-retinian; 2.2.analizarea video a pupilei i reflexiei corneene; 2.3.electromagnetici (utilizarea unei lentile de contact cu bobin inclus); 2.4.metode optice cu celule fotoelectrice etc. Alte probleme care apar privesc: montarea robotului pe crucior; nvarea bolnavului s lucreze cu robotul; limitele n utilizare (mecanice, comand i control, securitate);

Fig. 4.5

ntreinerea n timp a robotului;

12

STRUCTURA ROBOTULUIStructura unui robot este, defapat, un sistem compus din mai multe subsisteme. Sistem este un ansamblu de parti componente, elemente, si legaturile dintre acestea. Elementele care compun acest sistem se numesc subsisteme. La randul lor subsistemele pot avea si ele subsisteme, din acest motiv exista o ierarhizare si anume sistemul principal se numeste sistem de rangul 1, subsistemele se numesc sisteme de rangul 2, etc.

Modul cum se compune un sistem din subsisteme si legaturile dintre aceste subsisteme definesc structura unui sistem. Aceasta compunere a sistemelor din subsisteme se evidentiaza prin scheme bloc, iar legaturile dintre subsisteme, prin matrici de cuplare (care definesc legaturile dintre intrarile si iesirile) si matrici de structura (care ne arata care subsisteme sunt in legatura). Robotul este un sistem de rangul 1, si se aseamana, constructiv, cu sistemul unui om, la fel si subsistemele robotului. Schema bloc al structuri unui robot este:

Sistemul unui robot comunica cu mediul si este compus din urmatoarele: o Sistemul mecanic al robotului care are rolul scheletului uman, astfel defineste natura 13

si amplitudinea miscarilor ce se pot realiza. o Sistemul de actionare realizeaza miscarea relativa a elementelor mecanismelor din sistemul mecanic, si are rolul sistemului muschiular al omului. o Sistemul de comanda emite comenzi catre sistemul de actionare si prelucreaza informatii preluate de la sistemul mecanic, de actionare si de la mediu, are rolul sistemului nervos uman. o Traductorii si aparatele de masura preia informatii despre starea interna a robotului, adica deplasari, viteze, acceleratii relative, debite, presiuni, temperaturi. o Senzorii preia informatii despre starea externa a robotului, caracterizata prin parametrii mediului (temperatura, presiune, compozitie, etc.) si actiunea acestuia asupra robotului (forte, cupluri, etc.). Traductorii si senzori au rolul organelor de simt. o Platformei mobile are rolul de a realiza deplasarea robotilor mobili si face parte din componenta sistemului mecanic, cu rolul aparatului locomotor al omului. o Sistemul de conducere este un sistem de rang superior al sistemului mecanic si este compus din sistemul de comanda si cel de actionare. Robotii actionati hidraulic contin un grup hidraulic pentru prepararea si realizarea circulatiei fluidului purtator de energie (ulei). Acest grup joaca rolul aparatului digestiv si a celui respirator / circulator al omului. Se intelege prin mediu al robotului spatiul in care acesta evolueaza, cu obiectele continute si fenomenele care au loc in acest spatiu. Totalitatea obiectelor cu care robotul interactioneaza constituie periferia acestuia. Legaturile dintre componentele robotului si a componentelor care realizeaza legaturile cu mediu sunt : o directe o inverse (feed back). Legaturi directe avem la sistemul de comanda atunci cand transmite comenzi la sistemul de actionare, iar acesta actioneaza asupra cuplelor cinematice conducatoare, axele, sistemului mecanic, care la randul sau, actioneaza asupra mediului cu efectorul final. Legaturi inverse sunt informatiile furnizate sistemului de comanda de catre traductoare, senzori si aparate de masura. Se mai considera legaturi si fluxul de energie dat de mediu sistemului de actionare al robotului, si fluxul de energie disipat de la robot la mediu. Sistemul mecanic al robotului In cazul general un robot industrial trebuie sa realizeze: - actiuni asupra mediului inconjurator, cu efectori finali; - perceptie, pentru a culege informatii din mediul de lucru, cu senzori si traductori; - comunicare, pentru schimb de informatii; - decizie, in scopul realizarii unor sarcini.

14

Pentru realizarea acestor functii, structura unui robot este alcatuita din: - sistemul mecanic; - sistemul de actionare; - sistemul de programare si comanda; - sistemul senzorial. Sistemul mecanic este constituit din mai multe elemente legate intre ele prin cuple cinematice. Sistemul de actionare serveste la transformarea unei anumite energii in energie mecanica si transmiterea ei la cuplele cinematice conducatoare. Sistemul de comanda si programare este un ansamblu de echipamente si de programe care realizeaza miscarea robotului. Sistemul senzorial reprezinta un ansamblu de elemente specializate transpunerea proprietatilor ale diferitelor obiecte in informatii. Sistemul mecanic al robotului are rolul sa asigure realizarea miscarilor acestuia si transmiterea energiei mecanice necesare interactiunii cu mediul. Adica are sarcina de a deplasa un obiect. Partea din sistemul mecanic care realizeaza aceasta deplasare se numeste dispozitiv de ghidare sau manipulator. Se intelege prin manipulare modificarea situarii in spatiu a unui obiect. Utilizarea mainii de catre om a determinat formarea cuvantului de manipulare. Manipularea obiectului se realizeaza prin modificarea situarii bazei efectorului final, cu care obiectul este solidarizat. In acest scop, baza efectorului final este solidarizata cu un element al dispozitivului de ghidare. Dispozitivul de ghidare are rolul de a da efectorului final miscarile si energia mecanica necesara miscari in conformitate cu actiunea necesitata asupra mediului. Subsistemul din cadrul sistemului mecanic dedicat acestei interactiuni este efectorul final. Efectorul final al robotului care manipuleaza obiecte se numeste dispozitiv de prehensiune. Din punct de vedere al teoriei mecanismelor, obiectul si partea de baza a dispozitivului de prehensiune formeaza o cupla cinematica de clasa a VI-a, inchisa deobicei prin forta. Dispozitivele de ghidare pot fi cu: - topologie seriala, - paralela - mixta. Structura sistemului mecanic al unui robot este :

15

Situarea, adica pozitia orientarea, unui corp in spatiul tridimensional este definita cu ajutorul pozitiei punctului caracteristic, si orientarilor dreptei caracteristice, respectiv a dreptei auxiliare. Punctul caracteristic si dreapta caracteristica / auxiliara la un obiect cilindric se reprezinta astfel :

16