Robotic a Medic A

1INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA

Rafael BareaRafael Barea

Departamento de Electrónica. Universidad de Alcalá. Alcalá de Henares. Madrid. (Spain)

[email protected]

ROBROBÓÓTICA MTICA MÉÉDICADICA


• Introducción a la robótica médica. • Aplicaciones de la robótica en medicina

(Medical robotics). – Cirugía robótica.– Robótica en rehabilitación – Robótica asistencial– Robótica diagnóstica

Índice


Historia. Evolución instrumental quirúrgico

Roma. Siglo I a.c.

Egipto. S. XV a.c Inst. Árabe S. XV

Holanda. Siglo XVSiglo XIV

Amputation Saw (1600s)

Amputation Knife(1700s)


Historia. Evolución instrumental quirúrgicoHirtz Compass (1915)

Quirófano S. XX Quirófano S. XXIRX


Historia. Evolución cirugía

CIRUGÍAABIERTA

CIRUGÍALAPAROSCÓPICA

CIRUGÍAROBÓTICA


• Robótica médica (medical robotics)Incorpora el uso de robots en medicina

Cirugía robóticaRobots quirúrgicos

Tecnologías asistencialesRobótica asistencial

Robótica en rehabilitación

Robótica no quirúrgicaRobots para

diagnosis/entrenamiento

Aplicaciones de la robótica en medicina

Robótica Médica


• Robótica médica (medical robotics)




Robots y máquinas que mejoran la calidad de vida a personas discapacitadas y/o mayores. Principalmente mejorando la independencia personal.

• Asistentes robóticos• Prótesis – Órtesis• FES


Los robots asistentes o asistenciales están destinados a proporcionar asistencia a personas mayores, enfermas o con algún tipo de discapacidad, en entornos específicos como hospitales, residencias e incluso hogares particulares.

Robots sociales: El objetivo primordial que se persigue es la interacción social con el usuario, proporcionándole compañía, conversación, tareas de monitorización, vigilancia, etc.

Tecnología asistencial. Robots asistenciales

Papero 2005


Tecnología asistencial. Robots asistenciales MANUS 80’s MOVAID 1994 Care-o-Bot MORPHA 2003

RP-7 2007HELPMATE 1997


Proyecto Proyecto NursebotNursebot (Enfermera rob(Enfermera robóótica) 2003tica) 2003

• Objetivo: prestar ayuda en las tareas diarias a ancianos que sufran desórdenes crónicos

• Tareas: Agenda recordatorio inteligente, Telepresencia, Telemedicina, Monitorización, Transporte de objetos, Interacción social y Robot lazarillo.

Navegación: ultrasonidos + láser.



Proyecto CareProyecto Care--OO--BotBot


Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation (IPA)in Stuttgart

CareobotCareobot


Objetivos:

Implementación de un sistema de guiado autónomo móvil con aprendizaje del entorno.

Diseño de un interfaz visual y acústico.

Diseño de un sistema de tele-presencia.

Sistema de tele-medicina.

Sistema de diagnosis inteligente.

Integración modular y evaluación.

NAVIGATION

Planning navigation

Ultrasonic sensor

Bumpers

Vision

ENVIROMENT PERCEPTION HUMAN-MACHINE INTERFACES

Voice

Joystick, Keyboard

Screen

Input Devices

Output Devices

Tactile screen

Loudspeaker

TELECOMMUNICATIONINTERFACES

Screen

Loudspeaker

Tele-presence

Tele-medicine

Proyecto SIRAPEMProyecto SIRAPEM



Vision activa(Cámara&laser)

Sensores de ultrasonidos

Visión pasiva

PSD & IR

Movimientos de cabeza

Expulsión de aire

Reconocedor de voz

Electrooculografía

Joystick

Control ynavegaciónalto nivel

Controlde bajo

nivelDisplay &

sintetizador de voz

Sensores de Visión

Sensores de infrarrojos

PERCEPCIÓN DEL ENTORNOINTERFAZ USUARIO-SILLA

Seguridad de bajo nivel

ENTORNO ENTORNO

MÓDULOS DE

PROCESAMIENTO

SIAMO

MÓDULOS DE

PROCESAMIENTO

Tecnología asistencial. Sistemas robóticos

SIAMOSIAMO


Tecnología asistencial. Sistemas robóticos

Silla de ruedas

$

$

&$

&$

X

X

X

X

h

v

h

v

⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

Vcmd

cmdΩ⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Generadorcomandos

Seguridad

[Comando]

Adquisicióndel EOG

Modelo delojo

RealimentaciónAudio-visual

posición ocularMov. ojos

Ajusteparámetros

Pantalla táctil PC portá til

Altavoz Pantalla

Estudio del EOG

Estudio S.M.O

Guiado

Estrategias de guiado• Acceso directo a interfaz gráfico• Acceso mediante barrido (scan)• Comandos oculares

STOP

ATRÁS

STOP

STOP ADELAN. STOP

IZQ.

DER.

Arquitectura EOG


Proyecto Stand Up Proyecto Stand Up andand WalkWalk (lev(leváántate y anda) ntate y anda) -- UEUE• Restauración parcial de la función locomotora en pacientes con paraplejías

FES (Estimulación Eléctrica Funcional) → Aplicación de una corriente de baja frecuencia para producir una respuesta en ciertos músculos paralizados.

Tecnología asistencial. FES


Proyecto FES Proyecto FES CyclingCycling• Centre for Rehabilitation Engineering • University of Glasgow• Estimulación eléctrica de los músculos de las piernas

Tecnología asistencial. FES

cycling.mpgcycling.mpg


Tecnología asistencial. PrótesisPrPróótesis tesis MioelMioelééctricasctricas• Control a partir de señales mioeléctricas• Posible realimentación de posición y fuerza mediante presión sobre el

miembro residual, movimiento del sensor sobre la piel o estimulación eléctrica. Brazo biBrazo bióónico DARPA 2007nico DARPA 2007

Dean Dean KamenKamen’’ss BionicBionic ArmArmDarpaBionic.mpgDarpaBionic.mpg

Video MonoVideo Mono--brazobrazo


DefiniciónLas prótesis visuales son dispositivos o elementos que sustituyen las

partes dañadas del Sistema Visual ⇒ Electrónica.

Clasificación

Prótesis visuales

- Estéticas

- Medios transparentes

- Implante retinal. Estimulación retina.

- Implante cortical. Estimulación cerebro.

- Implante nervio óptico

- Cristalino- Queratoprótesis

Tecnología asistencial. Prótesis visuales


Ojo estético (Ojo de cristal)

Ojo estético robótico

• The Robotic Prosthetic Eye Project (Universidad Alberta, Canadá)

• Objetivo: mejorar la estética de las prótesis oculares dotándolas de

movimiento.

a) b)

Prototipos del Robotic Prosthetic Eye Project. a) Infrarrojos. b) Electrooculografía



Arquitectura general

Cámara MiniaturaSensor distancia (láser)ProcesadorConector percutáneoElectrodos

Proyecto Dobelle. Implante cortical

Temporización

1970-2 Estimulación1972-3 Implantes temporales1978 Implantes definitivos



Estimulación ⇒ Fosfenos (fogonazos de luz, estrellas en el cielo).

Mapeado fosfenos (Mapa Visual)

Parámetros de estimulaciónTren de 6 pulsos simétricos y bipolares

(500μs, amplitud configurable)4 Frames/sec.

Capaz de contar dedosViajar en metro (N. York)Problema: confundir puerta abierta con espacio entre vagones

Resultados Persona ciego total

Mejores resultadosDistancia ⇒ 5 piesAltura letras ⇒ 6 pulgadasAgudeza visual ⇒ 20/1200

Pruebas Agudeza visual

Implantado en 197841 años de edad

Tecnología asistencial. Prótesis visualesVideo conducciVideo conduccióónn


Tecnología asistencial. Instrumentista quirúrgico

CIRUJANO

ALTAVOCES

MICROFONO

CPU

LASER CÁMARA

BRAZO ROBOT

GRASPER

INSTRUMENTAL QUIRÚRGICO

PANTALLA TÁCTIL

CIRUJANO

ALTAVOCES

MICROFONO

CPU

LASER CÁMARA

BRAZO ROBOT

GRASPER

INSTRUMENTAL QUIRÚRGICO

PANTALLA TÁCTIL

• Objetivo: Desarrollar el prototipo de un sistema robótico para la realización de funciones de instrumentista quirúrgico en aquellas operaciones que no requieran la utilización de un instrumental ni complejo ni demasiado numeroso.

VVíídeo IQdeo IQ






– Robots en rehabilitación neuromotora

– Robots en terapia ocupacional


La rehabilitación es el conjunto de procedimientos dirigidos a ayudar a una persona a alcanzar el más completo potencial físico, psicológico, social, vocacional y educacional compatible con su deficiencia fisiológica o anatómica y limitaciones medioambientales.

Tecnología de rehabilitación

• Selección, diseño y/o fabricación de dispositivos de asistencia apropiados para la persona discapacitada.

• La selección se realiza en función de la discapacidad, de si la funcionalidad debe ser aumentada o restaurada y de los deseos del usuario.

Objetivos:

• Desarrollo de equipos especializados para la rehabilitación muscular.

• Reeducación de pacientes. Información del proceso.

Robótica en Rehabilitación



Monark Rehab trainer

Walking Rehabilitation Robot

Hand MentorExoskeleton

Bicicletas estáticasCintas transportadorasPlataformas específicas

Equipos especializados en Equipos especializados en rehabilitacirehabilitacióón muscularn muscular


LOKOMAT LOKOMAT • Rehabilitación de la marcha en lesiones medulares• Consta de un sistema para cargar con el peso del paciente y de un

andador automático• El robot mueve las piernas del paciente de forma sincronizada con el

andador, controlando los ángulos de las rodillas y las caderas para simular la acción de caminar y en una postura correcta



Sistemas de Rehabilitación

• Plataforma compacta de Stewart, que proporciona la regeneración de la fuerza de 6 DOF.

• Simulación de un vehiculo: pedal = plataforma• Conectadas con un solo interfaz del control a través de

líneas eléctricas y neumáticas.• Pie como palanca de control.• Interfaz del control y capta y envía los datos PC del

anfitrión.

Tobillo de Tobillo de RutgersRutgers -- ReeducaciReeducacióón Mediante R. Virtualn Mediante R. Virtual


Sistemas de RehabilitaciónRutgersRutgers Master IIMaster II• Interfaz háptico.• Diseñado para las interacciones en ambientes virtuales.• Regeneración de la fuerza hasta 16 N.

Ball Ball SqueezingSqueezing PowerPower PuttyPutty PegboardPegboard


Robótica diagnóstica. Imágenes médicas

RMTAC

SISTEMAS DE IMSISTEMAS DE IMÁÁGENES MGENES MÉÉDICASDICAS

RX


HIPPOCRATE 1999

Robotic Tele-echography (TER) 2001

Ultrasound robot 1999

Robótica diagnóstica. Tele-ecografía

ESTELEESTELE


Robótica diagnóstica. Endoscopia

• Estudio del esófago y del tracto gastrointestinal.• Equipamiento: 2 minicámaras color, alimentación y fuente de luz.• 14 imágenes/segundo.• Imágenes transmitidas a DataRecorder™.

Más confortable que el sistema actual

CCáápsula Endoscpsula Endoscóópica pica PillCamPillCam™™


SimMan 3G, un robot para estudiantes de medicina

Robótica diagnóstica/entrenamiento. Simuladores.

• El prototipo de robot es capaz de llorar, sudar, hablar, abrir y cerrar los ojos, vomitar o sangrar según el trato que le den los estudiantes en prácticas. El aparato también reacciona a más de 100 tipos de medicamentos y las dosis que los estudiantes le introduzcan.

• En 2001 había unos 100 simuladores, la mayoría de ellos en EstadosUnidos. En ocho años, se ha ascendido a más de 10.000 equipos en todo el mundo.

http://www.laerdal.com/


SimNewB, bebé robot para simular los primeros minutos de vida


• Bebé robot para simular los primeros minutos de vida• 51 cm - 3,5 kilos. • Simula acciones y movimientos: respiración, llanto(distintos grados de

intensidad).• También lleva su propio cordón umbilical, transmite constantes vitales y es

capaz de lanzar indicios como la dilatación de las pupilas o la flacidez muscular.

http://www.laerdal.com/


Simroid


• Herramienta de formación para dentistas• Es capaz de seguir las instrucciones habladas• Reaccionar de manera humana ante el dolor, gracias a que en el interior

de su boca está lleno de sensores.• Gracias al comportamiento de este robot, los dentistas aprender a tratar

mejor a sus pacientes “reales”.


Pregnant Robot Trains Students



• Robótica médica (medical robotics)Pretende incorporar el uso de robots en medicina








La cirugía robótica es la aplicación de robots a las diferentes técnicas quirúrgicas y consiste en el tratamiento de un paciente mediante robots especializados manejados por un cirujano.

Las ventajas más significativas en la cirugía robótica están directamente relacionadas con el hecho de que esos sistemas permiten la utilización de endoscopia como técnica de operación → Cirugía robótica mínimamente invasiva.

• menores complicaciones • mayor bienestar postoperatorio • menor tiempo de hospitalización y de baja laboral

Cirugía robótica. Robots quirúrgicos

Fuente: Université ’Orléans

Robots en los distintos campos de la medicina


• Dificultades que los robots pueden solucionar • Localización (posición y orientación) precisa de instrumental, ayudados por

sistemas de imágenes médicas. • Trayectorias complejas y precisas (taladros, radiar un tumor desde múltiples

puntos) • Eliminación del problema de la coordinación manos-ojos (en MIS-

laparoscopia)• Manejo de cargas pesadas (microscópios).• 3ª mano (manejo cámara en laparoscopia).• Etc…

• Mejoras robots Versus procedimiento manual• Compensación temblores mano cirujano• Movimientos y escalado (microcirugía)• Mayor comodidad para el cirujano (posición más natural).

• Valores añadidos • Entrenamiento cirujanos / Planificación operaciones → RV.

Cirugía robótica. ¿Pueden los robot ayudar?


• Relación coste/eficacia → No demostrados todavía• Los beneficios deben justificar coste/complejidad• Existencia de equipo técnico (manejo sistema robótico) en el quirófano• Fácil de manejar por los cirujanos• Debe reducir coste quirófano → no dispararlo

• Estudio del valor clínico → No está claro• Difícil realizar estudios comparativos entre técnicas robóticas y convencionales

puesto que los procedimientos son muy distintos.• Problema “huevo-gallina”. Es necesario desarrollar el sistema robótico antes de

demostrar su utilidad• Facilidad de configuración e instalación → Compatible con las instalaciones

del quirófano• Interfaces amigables

Cirugía robótica. ¿Pueden los robot ayudar?

• Seguridad• El robot comparte espacio de trabajo con el personal médico y los pacientes• Conceptos como “prueba y error” o “inténtelo de nuevo” no están permitidos• Esterilización del sistema robótico

• Problemas uso de robots en quirófanos


Clasificación de sistemas de cirugía robótica En función de la manera de interacción con el cirujano → 3 clases

• Sistemas de control supervisado El cirujano programa con antelación los movimientos a que serán ejecutados por el robot

• Sistemas de control compartido El robot garantiza que el cirujano ejecute movimientos estables mientras el cirujano controla todo el proceso

• Sistemas tele-quirúrgicosEl cirujano ejecuta la cirugía a una cierta distancia de la mesa de operaciones. A través de sistemas de realimentación, el cirujano es capaz de “sentir” el entorno de operación. El cirujano controla los movimientos de los manipuladores roboticos.

Cirugía robótica. Robots quirúrgicos


NEUROMATE 1999

MKM Zeiss

SPINEASSIST 2004 STEALTHSTATION

PATHFINDER 2006

Cirugía robótica. Estado Arte - Neurocirugía


STEALTHSTATION

Cirugía robótica. Estado Arte - Neurocirugía

TREON™StealthStation® ION™

Planificación Virtual Imágenes 3Den tiempo real

Instrumentos virtuales. Tracking de trayectoria y posición


ROBODOC 1992

ORTHOPILOT 2004-2007

CASPAR 1997

Cirugía robótica. Estado Arte - Ortopedia


Cirugía robótica. Terapia percutáneaPROSTATE BIOPSY ROBOT ACUBOT

INNOMOTION


Robot Robot CyberKnifeCyberKnife -- AccurayAccuray• El sistema CyberKnife es el primer sistema del mundo de radiocirugía robótica diseñado

para tratar tumores en cualquier parte del cuerpo. • El sistema CyberKnife trata a los pacientes en sesiones únicas o por etapas (normalmente

entre dos y cinco) aplicando múltiples rayos de radiación directa que convergen en el tumor, a la vez que minimizan el daño producido al tejido sano circundante. La orientación de imagen y la robótica controlada por ordenador se combinan para localizar, detectar y corregir de forma continuada los progresos del tumor y del paciente durante el tratamiento con una precisión sub-milímetro.

Cirugía robótica. Radiocirugía

ciberknife2.ciberknife2.flvflv


AESOP (CM, 1992)

ESOPO 1993

ZEUS (Computer Motion, 1998)

DA VINCI (Intuitive Surgical, 1999)

Cirugía robótica. Estado Arte – CRMI (MIS)

ARTEMIS 1996


Cirugía robótica. Robot Da Vinci Arquitectura Robot Da VinciArquitectura Robot Da Vinci


Cirugía robótica. Robot Da Vinci Sistema visión

Endoscopio 3-D de alta resolución y el equipo de procesamiento de imágenes

Robot auxiliar3 o 4 brazos robot

Instrumental EndoWrist


Cirugía robótica. Robot Da Vinci


Cirugía robótica. Robot Da Vinci Comparativa open vs. laparoscopic vs. da Vinci Surgery for prostate cancer

76%71%86%12 monthSexual function

83%93%97.4%12 month77%80%94.9%6 month62%54%92.9%3 month

Urinary function

2.5 days3 days1.2 daysLength of stay (LOS)

380 ml1355 ml109 mlEstimated blood loss (EBL)

Complications

LapOpendaVinci©Outcome

Fuente: Swedish Urology Group


• Da vinci en Europa 2009

Hospital Name City Clinica Virgen Blanca Bilbao Fundacio Puigvert BarcelonaHospital Civil Carlos Haya Málaga Hospital Clinico San Carlos Madrid Hospital Ruber Internacional Madrid Hospital Virgen del Rocio Sevilla

Cirugía robótica. Robot Da Vinci

País N USA 210 Alemania 17 Francia 20 UK 12 Italia 20 España 6


Cirugía robótica. Futuro

Clinical Training

Cirugía remota

Quirófano ambulante



Cirugía a domicilio



Cirugía en el campo de batalla


¡¡Gracias por su AtenciGracias por su Atencióón!n!

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