dr Zbigniew Nawrat
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, Zabrze dr in. Pawe Kostka
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, Zabrze
Politechnika lska w Gliwicach, Instytut Elektroniki mgr in. Wojciech Dybka
mgr Wojciech Sadowski mgr in. Kamil Rohr
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, Zabrze
NOWE MECHATRONICZNE NARZDZIA CHIRURGICZNE
ROBIN HEART UNI SYSTEM
Wspóczesna medycyna rozwija si w znacznej mierze dziki zastosowaniu naj-nowszych osigni nauk cisych, wdraaniu nowych metod, technik i technologii. Artyku stanowi prób przegldu kierunków rozwoju narzdzi sto-sowanych w chirurgii maoinwazyjnej ze specjalnym uwzgldnieniem najnow-szych dowiadcze wasnych – projektu Robin Heart Uni Tools.
THE ROBIN HEART UNI SYSTEM
MECHATRONIC SURGICAL TOOLS
Present medicine develops in considerable measure thanks to the use of newest achievements of sciences as well as new methods, techniques and technologies introduction. Presented article is the review of directions of surgery tools devel-opment used in mini invasive surgery with special regard of own, currently per-formed experiences arrangement – project Robin Heart Uni Tools.
1. WPROWADZENIE
Obecnie bardzo silnie rozwijaj si mniej inwazyjne metody operacji chirurgicznych. Dziki tego typu operacjom pacjenci szybciej powracaj do zdrowia i aktywnoci yciowej, operacje zwizane s z mniejszym urazem tkanek, mniej jest krwawienia, rónych komplikacji, bólu. Moliwoci przeprowadzenia maoinwazyjnego zabiegu chirurgicznego s w znacznym za-kresie uzalenione od stosowanego instrumentarium. Popraw ergonomicznoci i precyzji (szczególnie istotnej podczas operacji na bijcym sercu) mona uzyska dziki rozwijaniu nowych narzdzi mechatronicznych: robotów i póautomatycznych narzdzi chirurgicznych. Obecnie trwaj w FRK prace w obszarze badawczym „Roboty i Innowacyjne Narzdzia Chirurgii” celu opracowywania i wdroenia klinicznego innowacyjnego systemu narzdzi dla chirurga. Zakres prowadzonych dziaa obejmuje zarówno mechatroniczne urzdzenia prze-duajce rce operujcego w sposób mniej inwazyjny pacjenta (roboty, póautomatyczne
narzdzia) jak i zastosowanie wszystkich metod modelowania i symulacji dla optymalizacji przebiegu i efektu operacji chirurgicznej oraz zaplecze dydaktyczne (stanowiska i metody treningowe chirurgów, telekonsultacje). Dobra i rzeczowa wspópraca multydyscyplinarnego zespou naukowo-badawczego z lekarzami jest jednym z silnych argumentów prowadzonych projektów.
Celem naszego projektu jest upowszechnienie zdobyczy technologicznych ostatnich lat w postaci dostpnych szeroko narzdzi nowej generacji. W wyniku pracy w projekcie po-wstan nowej klasy zunifikowane, wielozadaniowe narzdzia o wysokiej funkcjonalnoci pozwalajce na usprawnienie sposobu prowadzenia zabiegów chirurgicznych na narzdach wewntrznych mikkich, gównie dla ukadu sercowo-naczyniowego. Opisywany projekt jest kolejnym krokiem w celu uruchomienia produkcji w Polsce oryginalnego systemu, rodziny nowoczesnych urzdze wspomagajcych prac chirurga w czasie operacji maoinwazyjnych. Rynek stale si rozwija, obecnie takich operacji rocznie robi si ponad cztery miliony na ca-ym wiecie.
2. PROJEKTOWANIE
W fazie projektowania wykorzystujemy wszystkie klasyczne narzdzia sztuki inynierskiej. Jednak specyfika opracowywanych urzdze wymaga wymaga sciesej konsultacji z odbiorcami, przyszymi uytkownikami narzdzi. Doskonalimy jzyk wspópracy z lekarzami rozwijajc wirtualn sal operacyjn wykorzystujca technologie wizualizacji trójwymiarowej projektowanych narzdzi w przestrzeni modelowej operacji (pacjent, sala operacyjna). Z drugiej strony wszystkie nasze urzdzenia s testowane w czasie organizowa-nych warsztatów chirurgiczorganizowa-nych, gdzie na przygotowaorganizowa-nych modelach fizyczorganizowa-nych mog by porównane z klasycznymi i laparoskopowymi narzdziami i technikami operacji.
Opracowane narzdzia, z definicji jako narzdzia chirurgiczne, przeznaczone s do wykony-wania precyzyjnej pracy o charakterze mechanicznym w celu dokonania odpowiedniej mody-fikacji w ukadzie krenia, sercu czy innym elemencie organizmu pacjenta zmienionym przez rozwój choroby (lub wystpujca jako wada wrodzona). Ich charakterystyczn cech jest jednak, w przypadku operowania przez niewielkie otwory w ciele pacjenta (operacje ma-oinwazyjne), brak odpowiedniej, bezporedniej widocznoci operowanego organu oraz upo-ledzenie lub zupena utrata czucia w zetkniciu z organem doni za porednictwem posiada-nych narzdzi. Zarówno wymagania ergonomii, bezpieczestwa jak i zwikszonej potrzeby
precyzji operowania wymagaj zastosowania nowych technologii i rodków technicznych dla ich realizacji. Narzdzia nie mog by w peni mechaniczne co do istoty konstrukcji. Nasze projekty stanowi zaawansowana prób wprowadzenia elementów mechatronicznych (me-chaniczno-elektroniczno-informatycznych) co w praktyce sprowadza si do stosowania elek-tro-napdów oraz odpowiednio oprogramowanych procesorów do sterowania niektórymi funkcjami narzdzi, lub te – globalnie - do wprowadzenia robotów do chirurgii. Dosownie w rku chirurga pozostaje przekaz decyzji o wykonaniu okrelonego zadania dla narzdzia natomiast efekt ruchu i realizacji zadania wykonywany jest za porednictwem skomplikowa-nego ukadu elektromechaniczskomplikowa-nego z nadzorem ukadu sterowania.
Jednym z istotnych elementów strategii projektowania narzdzi jest nie tylko wiedza na temat samego zadania, w tym np. oddziaywania narzdzi na tkanki ale te cis wspópraca i zrozumienie specyfiki dowiadczenia chirurga. To od niego, jego sprawnoci i wiedzy zale-y efekt kocowy operacji, to on jest klientem, który zdecyduje o zakupie i zakresie stosowa-nia projektowanych narzdzi.
W chirurgii endoskopowej chirurg oglda anatomi od wntrza dziki kamerze kontrolowanej przez asystenta. Przestrze wzrokowa i motoryczna nie s spójne a odczucie dotyku (sprz-enie siowe) jest zuboone co komplikuje typow scen chirurgiczn, wywouje trudnoci w percepcji przestrzennej, szczególnie przy identyfikacji granic anatomicznych podczas posu-giwania si kamer i instrumentami. Gównym zadaniem teleoperacyjnej stacji roboczej, do dzi jeszcze nie zrealizowanym zadawalajco jest przywrócenie zdolnoci manipulacyjnych i czuciowych chirurga, które zostay odebrane wskutek zastosowania chirurgii minimalnie in-wazyjnej. Efekt ten moemy uzyska dziki zastosowaniu manipulatora o szeciu stopniach swobody, posiadajcego dwie ptle sprzenia zwrotnego - sprzenie zwrotne siy i sprze-nie zwrotne dotyku.
W konwencjonalnym narzdziu laparoskopowym dostpny jest zakres ruchomoci okrelany przez cztery stopnie swobody (nie wliczajc ruchu kocówki wykonawczej):
x Translacja wzdu trzonu narzdzia x Obrót wokó osi translacji
x Ograniczone wychylenia w paszczy nie
3. ROBIN HEART UNI SYSTEM
Gwatowny rozwój mniej inwazyjnych technik chirurgicznych, które zastpuj wiele zabie-gów przeprowadzanych do tej pory metodami klasycznymi, jest wynikiem oczekiwa pacjen-tów i wymaga jakie stawiaj lekarze. Pacjenci poddani operacji maoinwazyjnej s mniej naraeni na ból, skraca si równie czas rekonwalescencji a przy wsparciu innowacji tech-nicznych i wzrocie dowiadczenia chirurga – równie skraca si czas operowania.
Skuteczno prowadzenia takich zabiegów w znacznej mierze zaley od narzdzi. Wymaga-nia jakie stawia metoda nie powinny zmniejsza precyzji operowaWymaga-nia. Robot chirurgiczny pokona ograniczenia tradycyjnych przyrzdów endoskopowych, które maj tyko cztery stop-nie swobody (DOF). Niektóre ze stosowanych narzdzi wykonawczych robotów maj obec-nie 5-6 stopni swobody oraz dodatkowo pewne moliwoci wykonywania zoonych, opro-gramowanych ruchów. Roboty maj wymienne narzdzia stosowane w zalenoci od potrzeb – noe harmoniczne, kleszczyki itp. Tak zwane szybkozcze powinno umoliwi szybk wymian narzdzia przez asystenta oraz zapewni moliwo sterylnego poczenia „czyste-go” narzdzia ze staym ramieniem robota.
Innowacyjne narzdzia laparoskopowe wykorzystuj rozwizania mechatroniczne uatwiajc wykonanie zadania lub wykonujc zadanie automatycznie. W trakcie prowadzenia zabiegów maoinwazyjnych wzrasta rola urzdze, mechanizmów uatwiajcych wykonywanie niektó-rych fragmentów operacji. Do czenia elementów tkankowych i sztucznych do ukadu kre-nia stosowanych jest szereg narzdzi opartych na rónych, póautomatycznych metodach: klipsownice, staplery i inne zszywacze.
Wanym elementem naszego projektu jest opracowanie odpowiednich technologii materiao-wych wspierajcych celowo uzyskanie okrelonych efektów, zjawisk fizycznych czy bioche-micznych – zwizanych z wymogami leczenia (np. uwalnianie okrelonych leków) lub tech-niki inynierskiej (np. zmniejszenie tarcia, zwikszenie trwaoci mechanicznej lub uzyskanie odpowiedniego izolacji elektrycznej).
Celem projektu jest zbadanie zupenie nowej idei, zarówno w zakresie konstrukcji jak i algorytmów sterowania: uniwersalnych narzdzi do operacji maoinwazyjnych, które mona zamocowa na ramieniu robota lub te, umieszczone w specjalnym uchwycie, stosowa jako póautomatyczne manualne narzdzie laparoskopowe. Opracowane narzdzia s napdzane elektrycznie, ich nowoci jest moliwo wyboru zamocowania albo na ramieniu robota albo
w specjalnych uchwytach wyposaonych w laparoskopowe zadajniki rczne i prowadzenie operacji rcznie bez uycia robota. Podstawow zalet w takim zastosowaniu bdzie wytwo-rzenie potrzebnych przy operacji funkcji manipulacyjnych narzdzia niemoliwych do bezpo-redniego zadawania przez operatora w rozwizaniach klasycznych narzdzi laparoskopo-wych.
Do prowadzenia operacji metodami maoinwazyjnymi konieczne jest w zakresie pracy na-rzdzi:
preparowanie tkanek,
podwizywanie przewodów, naczy i odcitych swobodnych krawdzi tkanek (klip-sowanie),
przecinanie przewodów, naczy i tkanek narzdów, usuwanie fragmentów tkanek i narzdów,
szycie tkanek.
W wyniku pracy w projekcie powstaj modele zupenie nowej klasy wielozadaniowych na-rzdzi o wysokiej funkcjonalnoci pozwalajcych na usprawnienie sposobu prowadzenia za-biegów operacyjnych na narzdach wewntrznych mikkich, zarówno z uyciem robotów jak i sterowanych rcznie.
W Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii przeprowadzono badania fizyczne rónych elementów operacji. Okrelono siy dziaajce podczas zacigania wza, cicia skalpelem czy te wbija-nia igy [1]. Zaprojektowano konkretne elementy napdowe mechanizmów i dokonano anali-zy wytranali-zymaociowej napdów. Zaprojektowano kocówki laparoskopowe z odpowiednimi mechanizmami napdowymi, które mog stanowi cz kocow kadego ze skonstruowa-nych wczeniej napdów. We wspópracy z Politechnika ódzk powstaj narzdzia z wy-miennymi kocówkami, we zespole zabrzaskim – próbujemy szuka tanich technologii pro-dukcji wielorazowych narzdzi zautomatyzowanych oraz elementów zszywajcych. Opra-cowana i zrealizowana pilotaowo procedura wytwarzania prototypowych i modelowych ko-cówek narzdzi, obejmuje:
A. Projekt narzdzia w srodowisku CAD (Inventor 2008) B. Komputerowy wydruk na drukarce 3D (woskowy)
C. Odlew pod cinieniem metod trconego wosku ze stali biokompatybilnej stosowanej w stomatologii (pod korony protez zbowych)
Wykonano nowe narzdzie o znacznie podwyszonej ergonomicznoci i funkcjonalnoci. Skada si ono z odpowiednio uksztatowanej rczki, w której w sposób wygodny mona ste-rowa dwoma przyciskami (lub przyciskiem i tzw. mikrodzojstikiem kulowym o dwóch stop-niach swobody z moliwoci uruchomienia przycisku) palcem wskazujcym i palcem rod-kowym oraz pokrta lub mikrodojstika uruchamianego kciukiem. Opracowany uchwyt spe-nia wane zaoenie – umoliwia utrzymanie w doni stosunkowo cikich pierwszych modeli automatycznych narzdzi. Jest kompromisem pomidzy moliwoci wygodnego operowania palcami oraz moliwoci sprawnego orientowania narzdzia podczas operacji. Na podstawie projektu wykonano metod szybkiego prototypowania wykonano uchwyt [Rys.1]. Uksztato-wanie uchwytu przez otoczenie doni sterujcego tworzy efekt, który odczuwany jest przez operatora jako pewno, e stabilnie „ley” w doni ale umoliwia peny zakres ktowy orien-tacji w przestrzeni. Objto uchwytu pozwala na schowanie we wntrzu ukadów elektroniczno-napdowych, procesorów, akumulatorów itp. Uchwyt umoliwia za pomoc tzw. szybkozczki zamontowanie narzdzia które moe by zamontowane równie na ramieniu robota. Narzdzie w wersji podstawowej, testowej posiada dwa stopnie swobody: zacisk-otwarcie szczk oraz zmiana ktowej orientacji kocówki narzdziowej.
Rys. 1. Projekt narzdzia Robin Uni System 1
Wybrane stopnie swobody póautomatycznego narzdzia Robin Uni System napdzane s moduami zawierajcymi silniki bezszczotkowe rodziny EC6 (rednica zewn. 6 mm) szwaj-carskiej firmy Maxon, przekadnie planetarne oraz elementy toru sterowania: czujniki Halla, przetworniki obrotowo/impulsowe oraz sterowniki niskiego poziomu EPOS. Moduy nap-dowe podczone s równolegle do magistrali CAN, gdzie przesyane s rozkazy sterujce prac systemu z centralne jednostki sterowania opartej na tym etapie rozwoju projektu, na jednostce National Instrument (magistrala PXI), pracujcej w systemie czasu rzeczywistego, wyposaonej w kart PXI penic funkcj moduu CAN Master. Zaawansowana karta FPGA
(RIO) spenia funkcj akwizycji sygnaów wejciowych systemu oraz sprztowego ich prze-twarzania co zapewnia odpowiedni synchronizacj pracy caego systemu sterowania i wy-pracowywania danych dla moduu wyjciowego CAN.
Uycie tak zaawansowanej platformy sprztowej na etapie uruchamiania i weryfikacji pod-stawowych zaoe projektu Robin Uni System prócz zapewnienia podstawowej funkcjonal-noci, umoliwia równie istotny monitoring parametrów wewntrznych systemu, istotnych dla oceny dziaania i dalszej optymalizacji systemu sterowania, którego finalna implementa-cja planowana jest na znacznie prostszym ale wystarczajcym mikrokontrolerze 16-bitowym. 4. WNIOSKI
Wspóczesne techniki operacyjne stay si w znacznym zakresie uzalenione od instrumenta-rium, technicznego uzbrojenia stanowiska operacyjnego. Opracowane w ostatnim okresie narzdzia endoskopowe i wypracowane techniki laparoskopowe otworzyy nowe moliwoci prowadzenia operacji, zupenie nieznane w dotychczasowej chirurgii klasycznej.
Opracowano nowe, mechatroniczne wielofunkcyjne narzdzie w ramach projektu Robin He-art Uni System.
Przedmiotem testów laboratoryjnych bdzie komplet innowacyjnego uchwytu z narzdziem o dwóch oraz czterech stopniach swobody. Narzdzia bd przetestowane w styczniu 2009 r. podczas pierwszych testów na zwierztach systemu robota Robin Heart.
Autorzy maj nadziej, e stworz nowy standard, wygodnych, sprawnych, popularnych na-rzdzi dla chirurgii miniinwazyjnej.
LITERATURA
[1] Z. Nawrat, P.Kostka, W.Dybka, K.Rohr. „Nowatorskie póautomatyczne narzdzia lapa-roskopowe ROBIN HEART UNI TOOLS.” XII Konferencja Naukowo-Techniczna Automa-tyzacja - Nowoci i Perspektywy, 2008, Warszawa. PAR – Pomiary Automatyka Robotyka. Miesicznik Naukowo-Techniczny. 2/2008
Podzikowania: Projekt Robin Heart Uni System jest realizowany w ramach projektu
rozwo-jowego Nr R13 033 01, Projekt robota Robin Heart by finansowany w ramach projektu ba-dawczego KBN 8 T11E 001 18, przez Fundacj Rozwoju Kardiochirurgii i wielu sponsorów. Autorzy dzikuj wszystkim, którzy przyczyniaj si do powstania opracowywanych innowa-cyjnych narzdzi chirurga, w szczególnoci grup studentów i absolwentów przygotowujcych prace dyplomowe i doktorskie we wspópracy z naszym orodkiem.
