Path planning for a robotic cooperative surgical assitant, applied to spinal procedures with electro-mechanical patient tracking

Resumen

La introducción de la robótica en campos diferentes a la automatización industrial se ha visto incrementada en la última década. El avance de la tecnología y los beneficios que representan los sistemas robóticos, tales como la alta precisión, repetitividad, y eficiencia, han llevado a su introducción en campos como la medicina. Una de las aplicaciones médicas en la que se esta viendo un incremento importante del uso de la robótica, es la cirugía mínimamente invasiva. El uso de robots en cirugía brinda el potencial de mejorar el resultado de las intervenciones, ayudando al cirujano a hacer planificaciones y ejecuciones quirúrgicas altamente precisas. Esto conlleva a importantes beneficios para el cirujano y los pacientes, reduciendo los tiempos quirúrgicos, mejorando la eficacia de los tratamientos y reduciendo las complicaciones postoperatorias. El procedimiento de introducción de tornillos transpediculares, realizado en cirugías de columna, es uno de los cuales se puede ver altamente beneficiado por el uso de la robótica, dados sus requerimientos de alta precisión y su criticidad. Actualmente hay disponibles algunos dispositivos robóticos en el mercado para realizar este procedimiento, sin embargo, los mismos presentan algunas limitaciones y dificultades en su uso, dadas principalmente por las tecnologías de seguimiento de paciente que tienen implementadas. En este trabajo se presenta el desarrollo de un nuevo sistema de asistencia robótico para el procedimiento de fijación de tornillos transpediculares, el cual consta de un innovador sistema de seguimiento del paciente basado en una cadena cinemática pasiva, un brazo robótico industrial, un sistema de control y una interfaz de usuario colaborativa . El uso de este tipo de dispositivo de seguimiento resuelve los problemas que tienen los sistemas actualmente disponibles en el mercado. Para mejorar el uso del asistente robótico, se ha implementado una interfaz física de interacción humano - robot intuitiva, en la que se han introducido nuevos algoritmos de control que mejoran su rendimiento, de esta forma, se permite su uso bajo un paradigma colaborativo. Para dotar al asistente robótico con un mayor nivel de autonomía, se han desarrollado nuevas estrategias y metodologías de planificación de trayectorias. Estos desarrollos presentados en este trabajo, se han llevado acabo de tal forma que permiten compatibilizar los movimientos del brazo robótico y del dispositivo de seguimiento de paciente pasivo que se encuentra atado en su efector final. El sistema desarrollado, ha sido testeado en condiciones similares a las de aplicación real, validándose en modelos de columnas con características anatómicas realistas y en quirófanos por neurocirujanos expertos. Como resultado del trabajo aquí presentado y los proyectos de investigación relacionados, ha surgido la creación de una empresa, cuyo propósito es la industrialización y certificación del sistema robótico de asistencia quirúrgica con la intención de llevarlo al mercado global.