Desarrollo de un modelo generalizado para realimentación de fuerza y torque en cirugía cardiotorácica robótica mínimamente invasiva: determinación de condiciones y restricciones

Introducción

Los procedimientos de cirugía cardiotorácica mínimamente invasiva (MICS, su sigla en Inglés) buscan reducir las complicaciones de las grandes disecciones. No obstante, ante la falta de contacto directo con el tejido por parte del cirujano, éste recibe una sensación parcial de tacto y fuerza, lo que puede originar errores de procedimiento, inadecuada fuerza aplicada al tejido y fatiga durante el acto quirúrgico. La inclusión de dispositivos robóticos con la técnica MICS ha potencializado las habilidades del cirujano para la manipulación de los tejidos, y aunque los desarrollos del mercado no cuentan aún con retroalimentación táctil, se trabaja en prototipos robóticos que incorporan realimentación de fuerza y torque.

Objetivo

Proponer las condiciones y restricciones relacionadas con la incorporación de realimentación de fuerza y torque en MICS robótica, aplicables a diferentes configuraciones de manipuladores, y analizar la implementación de dichas condiciones en un simulador quirúrgico.

Material y métodos

Partiendo del análisis de necesidades durante procedimientos cardiotorácicos y las condiciones de cirugía mínimamente invasiva, se identificaron los requerimientos para garantizar reflexión de fuerza y se realizó un análisis matemático de dichas consideraciones. Finalmente, se verificaron los análisis matemáticos mediante técnicas de modelización y simulación utilizando la plataforma computacional Matlab^®.

Resultados

Se argumentaron tres tipos de consideraciones: a) Cinemático: la existencia de un punto fijo, las formas de garantizarlo durante procedimientos MICS robóticos, y las trayectorias de movimiento que el manipulador sigue en aplicaciones de cirugía cardiotorácica; b) Dinámico: la repercusión de fuerzas externas en el manipulador y la manera de considerarlas en el desarrollo de controladores que permitan al cirujano percibir una sensación de contacto con el tejido; c) Sensorial: requerimientos de los sensores de fuerza y relación necesaria entre el número de sensores y actuadores para realimentar fuerza en MICS robótica. Posteriormente se implementaron dichas consideraciones en un simulador y se verificó el cumplimiento de las mismas.

Conclusiones

Las condiciones relacionadas con la incorporación de un sensor de fuerza y la percepción del cirujano en cuanto al tacto y la fuerza aplicada, resultan ser importantes en procedimientos de MICS robótica y requiere la inclusión de un sistema de control que permita la optimización de procedimientos por telepresencia.

Introduction

The procedures in minimally invasive cardiothoracic surgery (MICS) aim to reduce the complications of major dissections. However, in the absence of direct contact of the surgeon with the tissue, he receives a partial sense of touch and strength, which can lead to procedural errors, inadequate force applied to the tissue and fatigue during surgery. The inclusion of robotic devices with the MICS technique has enhanced the technical skills of the surgeon to manipulate tissue, and although the market devices still do not have tactile feedback, research in robotic prototypes that incorporate feedback of force and torque is being done.

Objective

To propose the conditions and restrictions related to the integration of force and torque feedback in robotics MICS applicable to different configurations of manipulators and analyze the implementation of those conditions in a surgical simulator.

Material and methods

From the analysis of needs during cardiothoracic procedures and conditions of minimally invasive surgery, we identified the requirements to ensure reflection of force and performed a mathematical analysis of such considerations. Finally, mathematical analysis were verified by modeling and simulation techniques using the Matlab^® computing platform.

Results

Three types of considerations were argued: a) Kinematic: the existence of a fixed point; the way to guarantee it for robotic MICS procedures, and the trajectories of motion followed by the controller in the applications of Cardiothoracic Surgery, b) Dynamic: the impact of external forces on the manipulator and the way to consider them in the development of controllers that allow the surgeon to feel a sense of contact with the tissue, c) Sensory: requirements of the force sensors and necessary relationship between the number of sensors and actuators to feedback force in MICS robotics. Subsequently these considerations were implemented in a simulator and were checked for compliance.

Conclusions

The conditions related to the incorporation of a force sensor and the perception of the surgeon in terms of touch and force applied turns out to be important in robotics MICS procedures and requires the inclusion of a control system that enables the optimization of telepresence procedures.