BRPI1011053B1

BRPI1011053B1 - Sistema robótico para cirurgia laparoscópica

Info

Publication number: BRPI1011053B1
Application number: BRPI1011053-4A
Authority: BR
Inventors: Josep Amat Girbau; Alicia Casals Gelpi; Manel Frigola Bourlon
Original assignee: Universitat Politècnica De Catalunya
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2020-09-29
Also published as: CA2762780A1; IL216470A0; CN102458295B; JP2012527276A; BRPI1011053A2; BRPI1011053B8; EP2433585A1; ES2655029T3; ES2388029B1; EP2433585A4; RU2011152395A; US20120136372A1; KR101665744B1; JP5785538B2; MX2011012295A; MX336487B; RU2531469C2; CA2762780C; ES2388029A1; WO2010133733A1

Abstract

sistema robótico para cirurgia laparoscópica. a presente invenção refere-se a um sistema robótico para cirurgia laparoscópica, que compreende uma estrutura de suporte (230) onde pelo menos um braço (210, 220) é acoplado de maneira deslizante. cada braço (210, 220) compreende um primeiro e um segundo elementos (300, 400) articulados entre si. o primeiro elemento (300) é articulado de maneira giratória na estrutura de suporte (230) e pode girar ao redor de um eixo longitudinal (l1), e o segundo elemento (400) pode receber uma articulação de pelo menos dois graus de liberdade (550) para o acoplamento de uma ferramenta (900). o eixo longitudinal (l1) do primeiro elemento (300) é substancialmente perpendicular a um eixo de articulação (l2) do primeiro elemento (300) e do segundo elemento (400). a invenção provê uma arquitetura simplificada que permite um movimento espacial preciso e eficaz da ferramenta presa ao braço (210, 220).

Description

Descrição Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a um sistema robótico destinado à imobilização e ao manejo de uma ferramenta ou utensílio cirúrgico para cirurgia, em particular, para cirurgia laparoscópica minimamente invasiva. O sistema robótico da invenção compreende uma estrutura de suporte na qual são acoplados de modo deslizante um ou vários braços que podem ser acionados de maneira remota a partir de uma estação de teleoperação.

[002] Cada um dos ditos braços acoplados à estrutura de suporte é configurado como um conjunto articulado formado por dois elementos. Ambos os elementos são articulados entre si e, por sua vez, o primeiro elemento pode girar com relação à estrutura de suporte.

Antecedentes da Invenção

[003] A invenção tem aplicação geral no campo da cirurgia robótica e, em particular, no campo da cirurgia minimamente invasiva. Na cirurgia minimamente invasiva são realizadas incisões de menores dimensões com relação àquelas realizadas em uma intervenção convencional, o que exige um acionamento muito preciso da ferramenta cirúrgica. Através de tais incisões, são realizadas as operações cirúrgicas, incluindo a introdução de câmaras de visão (laparoscopia) para obter a imagem de órgãos internos e transmiti-la a um monitor de televisão através do qual o cirurgião pode ser guiado para realizar os ditos procedimentos cirúrgicos.

[004] Estes procedimentos cirúrgicos através de cirurgia robótica são realizados à distância utilizando estações de teleoperação conectadas a um sistema robótico por meio de linhas de comunicação dedicadas.

[005] Os sistemas robóticos compreendem arquiteturas desenhadas para se comportarem de maneira similar ao braço humano, permitindo localizar a extremidade de um braço robô em posições distintas. As ditas arquiteturas são formadas por um ou vários braços montados em uma estrutura de suporte e formados por elementos articulados de maneira que possam se mover no espaço adequadamente para acionar uma ferramenta, órgão terminal ou efetor final, tal como uma pinça ou outro dispositivo para realizar operações cirúrgicas. Seu movimento é acionado através das ordens recebidas a distância através da estação de teleoperação.

[006] Cada um dos ditos braços é uma estrutura articulada formada por vários elementos articulados entre si e montados de maneira giratória com relação à estrutura de suporte. Um exemplo de arquitetura de braço robótico de elementos articulados é o robô conhecido como Seara, que apresenta liberdade de movimentos nos eixos X e Y, se forem limitados em seus deslocamentos no eixo vertical Z, onde normalmente são realizadas manipulações simples e em deslocamentos de curta distância.

[007] As limitações destas arquiteturas são normalmente supridas através de um uso intensivo de eletrônica e mecanismos complexos para dispor um sistema robótico adequado para a cirurgia minimamente invasiva. Isto implica em um sistema robótico indesejavelmente de alto custo devido à grande complexidade do conjunto.

[008] O documento US2003208186 descreve um mecanismo robótico de três graus de liberdade que compreende uma estrutura de suporte na qual um braço é deslizantemente acoplado na vertical. O braço é formado por um primeiro elemento e um segundo elemento articulados entre si. O primeiro elemento é articulado, por sua vez, à estrutura de suporte, podendo ser posicionada uma ferramenta através do mesmo. Contudo, esta arquitetura apresenta o inconveniente de não permitir orientar a ferramenta de modo adequado para poder introduzi-la através de um instrumento de cirurgia (trocate).

[009] O documento US5762458 se refere a um sistema para realizar intervenções de cirurgia cardíaca minimamente invasiva. O dito sistema é constituído por braços articulados adaptados para manejar uma ferramenta no espaço. Os ditos braços apresentam vários graus de liberdade e, em uma realização, incorpora três articulações motorizadas (de acionamento em deslocamento e rotação), duas articulações passivas e uma articulação motorizada de acionamento em rotação da ferramenta disposta na extremidade do braço. Este sistema robótico apresenta o inconveniente de não permitir um posicionamento totalmente eficaz da ferramenta através da incisão no paciente.

Descrição da Invenção

[0010] A presente invenção propõe um sistema robótico para cirurgia laparoscópica, particularmente, embora não exclusivamente, para cirurgia minimamente invasiva. O sistema robótico da invenção apresenta uma configuração notadamente mais simples que os sistemas robóticos os quais vêm sendo utilizados para o mesmo fim até agora. Além da simplicidade estrutural do sistema robótico que é proposto, a invenção apresenta um sistema robótico para cirurgia laparoscópica com uma arquitetura específica capaz de orientar adequadamente uma ferramenta, órgão terminal ou efetor final, tal como uma pinça ou dispositivo adequado para realizar operações cirúrgicas, com grande mobilidade para a introdução adequada através de uma incisão no paciente.

[0011] O sistema robótico para cirurgia minimamente invasiva da invenção compreende uma estrutura de suporte formada por uma coluna vertical ao redor de cujo eixo longitudinal os braços podem ser girados. A coluna pode ser montada fixa sobre uma plataforma preferivelmente provida de rodas para facilitar seu deslocamento, caso necessário. Um ou mais braços robóticos são deslizantemente acoplados verticalmente na coluna. Em caso de ser disposto mais de um braço robótico na estrutura de suporte, os ditos braços são acoplados com possibilidade de deslizamento vertical para poder regular sua altura no solo e permitir, deste modo, o posicionamento de uma ferramenta cirúrgica na posição adequada de maneira eficaz.

[0012] Cada um dos braços do sistema robótico compreende um primeiro elemento e um segundo elemento. Ambos os primeiro e segundo elementos são articulados entre si através de um eixo ou articulação. Por outro lado, o primeiro elemento do braço é montado de maneira giratória na estrutura de suporte e, por sua vez, o dito primeiro elemento é adaptado para girar ao redor de seu eixo longitudinal. Em particular, o primeiro elemento do braço é montado de maneira giratória em uma extensão solidária da estrutura de suporte. O segundo elemento do braço robótico é adaptado para receber uma articulação de pelo menos dois graus de liberdade passivos em sua extremidade para o acoplamento de uma ferramenta ou utensílio cirúrgico. No caso de ser disposto mais de um braço robótico, os braços podem girar de maneira independente entre si ao redor do eixo longitudinal da estrutura de suporte. Esta arquitetura permite simplificar consideravelmente o conjunto.

[0013] Em algumas realizações da invenção, a dita articulação de pelo menos dois graus de liberdade para o acoplamento de uma ferramenta pode ser de três graus de liberdade, tal como uma articulação do tipo Cardan. Com isso, é conseguida uma estabilidade em um eixo (normalmente, o eixo da direção da ferramenta ou instrumento) e um movimento espacial adequado para as operações da ferramenta através da incisão no paciente com a introdução de dois graus de liberdade passivos no sistema.

[0014] Desse modo, o conjunto dispõe de um total de cinco graus de liberdade (quatro mais o deslocamento vertical da estrutura de suporte para o posicionamento e a manobrabilidade da ferramenta) com o que a ferramenta pode ser orientada sempre na direção definida pelo ponto de penetração na cavidade realizada no paciente (por exemplo, a cavidade abdominal) por meio do trocarte.

[0015] Em uma realização, o eixo longitudinal do primeiro elemento do braço robótico pode ser pelo menos substancialmente perpendicular ao eixo de articulação do primeiro elemento e do segundo elemento.

[0016] O segundo elemento do braço pode ser formado por duas barras dispostas substancialmente paralelas entre si e separadas a uma distância apropriada para dispor uma extremidade do primeiro elemento do braço nas mesmas e de maneira articulada. Isto permite a rotação sem colisões do primeiro e do segundo elementos do braço robótico.

[0017] Outros objetivos, vantagens e características do sistema robótico para cirurgia laparoscópica minimamente invasiva da invenção ficarão evidentes a partir da descrição da invenção de uma realização preferida. Esta descrição se dá por meio de exemplo não limitativo e é ilustrada nos desenhos anexos.

Breve Descrição dos Desenhos

[0018] Nos desenhos,

[0019] a figura 1 é um esquema de um sistema de teleoperação dotado de sistemas robóticos de acordo com a invenção;

[0020] a figura 2 é uma vista em perspectiva de uma realização do sistema robótico da invenção formado por uma estrutura de dois braços;

[0021] a figura 3 é uma vista em perspectiva de uma realização do sistema robótico da invenção; e

[0022] a figura 4 é uma vista esquemática da cadeia cinemática do sistema robótico onde são mostrados dois graus de liberdade.

Descrição de uma Realização Preferida

[0023] Nas figuras, é mostrado um sistema de teleoperação 100 para a realização de cirurgia laparoscópica minimamente invasiva. O sistema de teleoperação 100 é formado por uma estação de trabalho 110 que incorpora dois sistemas robóticos 200 de acordo com a invenção e uma estação de teleoperação 120 para o acionamento e o controle do sistema robótico 200. A estação de teleoperação 120 inclui um sistema de controle tridimensional 130 para a visualização da cena de trabalho com um fator de ampliação desejado (zoom) e um ponto de vista controlável através dos movimentos de um dos braços disponíveis.

[0024] A estação de teleoperação 120 pode converter as ordens de controle do operário no acionamento do sistema robótico 200 potencializando as capacidades manuais do operário e controlar as operações para conseguir mais confiabilidade. Isto permite ao operário acionar e controlar gestualmente, mediante os movimentos de seus braços, os braços robóticos articulados 210, 220 do sistema robótico 200. Os movimentos que o operário pode realizar com suas duas mãos podem ser aplicados a um ou a outro braço 210, 220, à vontade, com a ajuda de pedais auxiliares de acionamento (não mostrados). Os braços robóticos 210, 220 do sistema robótico 200 (mostrados na figura 3) podem ser acionados eletricamente para posicionar e orientar cada uma das ferramentas, órgãos terminais ou efetores finais 900, tais como, pinças ou dispositivos cirúrgicos adequados para realizar operações.

[0025] A ligação entre a estação de teleoperação 120 e o sistema robótico 200 é realizada através de uma unidade de controle 140. A unidade de controle 140 é configurada por uma rede de ordenadores que permitem efetuar o controle em tempo real das trajetórias dos braços robóticos 210, 220 e a orientação das ferramentas cirúrgicas 900 controladas pelos braços 210, 220, de maneira que, em todo o momento, se ajustem aos movimentos das ordens do operário. A unidade de controle 140 realiza também a coordenação dos movimentos para evitar as colisões entre os braços 210, 220 e a supervisão e correção das trajetórias de acordo com os critérios predefinidos pelo operário. A unidade de controle 140 permite trabalhar com eixos de referência flutuantes, que são reinicializados em posição e orientação à vontade do operário para facilitar o acionamento da tarefa em posição do campo de trabalho vertical, embora a operação seja realizada no interior da capacidade abdominal do paciente 600 em outras orientações. Também permite mudar o fator de escala para poder regular movimentos centimétricos na estação de acionamento, para movimentos milimétricos, quando necessário. A dita unidade 140 permite também definir restrições do volume de trabalho de cada um dos braços 210, 220, para aumentar a segurança do paciente 600. Através da unidade 140 é possível também visualizar o espaço de trabalho útil dos braços 210, 220 para facilitar um posicionamento correto inicial dos mesmos com relação à mesa de operações 700 e com relação ao paciente 600.

[0026] O sinal 150 recebido da estação de teleoperação 120 através de um dos sensores magnéticos de posição 450 proporciona informação 460 acerca das trajetórias das ferramentas 900. Outros meios de detecção da posição, tais como sensores potenciométricos ou inerciais também são possíveis. Isto permite facilitar a capacidade de movimentos do operário e evitar as restrições mecânicas dos acionadores 6D mais comuns. Com isso, é possível realizar um controle 640 do sistema robótico 200 e um controle 650 das ferramentas 900 assim como um controle 660 para evitar colisões.

[0027] A estação de trabalho 110 compreende um ou vários sistemas robóticos 200 de acordo com a invenção. Na figura 3 é mostrado um dos ditos sistemas robóticos 200 em detalhe. Tal como pode ser apreciado, cada sistema robótico 200 compreende dois braços 210, 220 montados em uma estrutura de suporte 230 comum. Cada braço 210, 220 tem uma capacidade de carga tal que permite realizar esforços de até 2,5 kg e é adaptado para operar ao lado da mesa de operações 700, em um lado ou em outro, ou utilizando os dois simultaneamente, um em cada lado da mesa de operações 700. Os braços 210, 220 do sistema robótico 200 podem ser movidos no espaço para cobrir um volume de trabalho mínimo apropriado. Este volume de trabalho é definido pelo conjunto de pontos nos quais pode ser situada a ferramenta 900 de cada braço 210, 220, e que corresponde ao volume encerrado pelas superfícies que determinam os pontos nos quais acede a ferramenta 900 com sua estrutura totalmente estendida e totalmente fixa. Na estrutura da realização, o volume de trabalho mínimo corresponde a uma semiesfera de 50 cm de raio centrada sobre um mesmo centro fixo, embora de altura regulável, e com precisões superiores a 1 mm.

[0028] Na realização mostrada nas figuras 2 e 3, a estrutura de suporte 230 é constituída por uma coluna vertical 235 montada fixa sobre uma plataforma 240 provida de rodas bloqueadas 254 para facilitar seu deslocamento. A plataforma 240 compreende uma seção inferior 250 e primeira e segunda seções superiores 260, 270, montados giratórios entre si e com relação à seção inferior 250. A seção inferior 250 da estrutura de suporte 230 é fixada na plataforma 240 para imobilizar o sistema robótico 200 durante a intervenção. As primeira e segunda seções superiores 260, 270 da coluna 235 são montadas de maneira que possam deslizar verticalmente de acordo com a direção vertical designada por D, isto é, substancialmente perpendicular à plataforma 240 da estrutura de suporte 230. O deslocamento linear vertical D das primeira e segunda seções superiores 260, 270 permite regular a altura dos braços robóticos 210, 220 no solo de maneira independente e posicionar assim a ferramenta 900 de modo adequado.

[0029] Por motivos de simplicidade na descrição, adiante será descrita a estrutura de um dos braços 210 do sistema robótico 200, sendo entendido que cada um dos ditos braços 210, 220 apresenta uma configuração igual ou tecnicamente equivalente.

[0030] O braço robótico 210 do sistema que é descrito de acordo com a invenção é formado por dois elementos articulados entre si 300, 400.

[0031] O primeiro elemento 300 é um corpo alargado que é montado na estrutura de suporte 230 de maneira que possa girar ao redor de um eixo longitudinal L1 do primeiro elemento 300. Mais concretamente, este primeiro elemento 300 é montado de maneira giratória em uma extensão 265 solidária da primeira seção superior 260 (o outro braço robótico 220 é montado de maneira giratória na extensão 275 correspondente à segunda seção superior 270). Deste modo, o primeiro elemento 300 pode girar com relação à extensão 265 da primeira seção superior 260 do braço robótico 210 ao redor do eixo longitudinal L1 e ambos os braços 210, 220 podem girar de maneira independente ao redor do eixo longitudinal L3 da estrutura de suporte 230, isto é, da coluna 235.

[0032] O segundo elemento 400 do braço robótico 210 é articulado ao primeiro elemento 300 do braço robótico 210 através de uma articulação 280, de modo que possa girar ao redor de um eixo L2, tal como pode ser apreciado na figura 3. O eixo longitudinal L1 do primeiro elemento 300 é substancialmente perpendicular ao eixo L2 da articulação 280 do primeiro elemento 300 e do segundo elemento 400.

[0033] Tal como pode ser apreciado, o segundo elemento articulado 400 é formado por duas barras 410, 420 que, na realização das figuras, apresenta uma seção transversal elíptica. Será compreendido, contudo, que as duas barras 410, 420 podem apresentar outras geometrias diferentes. As duas barras 410, 420 são dispostas paralelas entre si, separadas a certa distância para permitir a articulação do segundo elemento 400 em uma extremidade do primeiro elemento 300, impedindo a colisão mútua de ambos os elementos 300, 400 do braço 210 com a realização da rotação ao redor do eixo L2 de articulação 280 disposta em uma extremidade comum de ambas as barras 410, 420 do braço 210.

[0034] A extremidade oposta 500 de ambas as barras 410, 420 do braço 210 é adaptada para o acoplamento de uma ferramenta ou utensílio cirúrgico 900 através de um eixo de rotação L4. O eixo de rotação L4 evita colisões entre a ferramenta 900 e as barras 410, 420 do segundo elemento 400 do braço 210, 220. Na extremidade 500, é disposta uma união mecânica 550 que permite controlar a orientação da ferramenta 900 dentro do espaço de trabalho de maneira adequada para as operações através da incisão no paciente 600. Esta união mecânica 550 é uma articulação de dois ou mais graus de liberdade adaptada para o acoplamento da ferramenta ou instrumento cirúrgico 900. Na realização das figuras, a união mecânica 550 é uma articulação de três graus de liberdade, tal como uma articulação do tipo Cardan. Isto permite introduzir dois graus de liberdade passivos adicionais e proporcionar estabilidade em um eixo (normalmente o eixo da direção da ferramenta 900. Com isso, a ferramenta 900 pode ser orientada sempre na direção definida pelo ponto de penetração 950 na cavidade realizada no paciente 600 (por exemplo, a cavidade abdominal), tal como é mostrado na dita figura 4.

[0035] Pode ser disposto um elemento de imobilização dos trocartes de ajuste manual. Este exemplo de imobilização é constituído por um elemento suspensor que pode ser fixado manualmente na estrutura de suporte 230. Em sua extremidade suporta dois elementos sujeitos a este elemento suspensor através de duas rótulas bloqueáveis manualmente que permitem imobilizar mediante uma articulação de tipo Cardan os respectivos trocartes para reduzir os esforços realizados com as ferramentas ou instrumento cirúrgico 900 sobre o abdome do paciente 600.

[0036] Na figura 4, é mostrada esquematicamente a cadeia cinemática da estrutura mecânica de uma realização do sistema robótico 200 da invenção, Como pode ser apreciado, cada braço 210, 220 do sistema 200 é uma cadeia cinemática aberta do tipo D-G-G-G- G-F+Cardan, de cinco graus de liberdade, que permitem um movimento relativo dos elementos distintos 235, 300, 400, 900 entre cada dois elos consecutivos da estrutura.

[0037] Independentemente da articulação prismática (movimento de translação vertical D), as quatro articulações, de acordo com os eixos L1, L2, L3 e L4, são motorizadas, sendo o deslocamento D compartilhado pelos dois braços 210, 220.

[0038] Embora a presente invenção tenha sido descrita na memória e ilustrada nos desenhos anexos com referência a uma realização preferida da mesma, o sistema robótico, objeto da invenção, é susceptível de diversas mudanças sem se afastar do âmbito de proteção definido nas reivindicações seguintes.

Claims

1. Sistema robótico (200) para cirurgia laparoscópica que compreende uma estrutura de suporte (230) que inclui pelo menos dois braços (210; 220) acoplados de modo deslizante e articulado na dita estrutura de suporte (230), cada um dos ditos braços (210, 220) compreendendo um primeiro elemento (300) e um segundo elemento (400), articulados entre si e uma articulação (550) tendo pelo menos dois graus de liberdade para acoplar uma ferramenta (900), o primeiro elemento (300) sendo articulado de maneira giratória na estrutura de suporte (230) e adaptado para ser girado ao redor de um eixo longitudinal (L1) e de um segundo elemento (400) sendo adaptado para receber a articulação (550), caracterizado pelo fato de que: os braços (210, 220) são respectivamente associados com primeira e segunda seções superiores (260, 270), em que as ditas primeira e segunda seções superiores (260, 270) são montadas de forma giratória uma a outra e à estrutura de suporte (230), e capazes de deslizar verticalmente para ajuste independente da altura dos braços (210, 220), por meio do que os braços (210, 220) são capazes de ser rodados independentemente um do outro em torno de um eixo longitudinal (L3) da estrutura de suporte.

2. Sistema robótico (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o dito eixo longitudinal (L1) do primeiro elemento (300) de cada um dos ditos braços (210, 220) ser pelo menos substancialmente perpendicular a um eixo (L2) para ligação do primeiro elemento (300) e do segundo elemento (400) um ao outro.

3. Sistema robótico (200), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a estrutura de suporte (230) compreender uma coluna vertical ao redor de cujo eixo longitudinal (L3) podem girar os braços (210, 220).

4. Sistema robótico (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a articulação (550) de cada um dos ditos braços (210, 220) que tem pelo menos dois graus de liberdade (500) para o acoplamento de uma ferramenta (900) ser uma articulação do tipo Cardan.

5. Sistema robótico (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de o segundo elemento articulado (400) de cada um dos ditos braços (210, 220) consistir de duas peças (410, 420) nas quais é articulado o primeiro elemento do braço (300).

6. Sistema robótico (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de o primeiro elemento (300) de cada um dos ditos braços (210, 220) ser montado de maneira giratória em uma extensão (265; 275) integral com a estrutura de suporte (230).