CONTROL OPERACIONAL DE UN ROBOT ASISTENTE PARA … Library/Doctoral... · 2007-02-21 · robotico...

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

INDUSTRIALES

Ingenierıa de Sistemas y Automatica

TESIS DOCTORAL

CONTROL OPERACIONAL DE UN

ROBOT ASISTENTE PARA

CIRUGIA LAPAROSCOPICA

Autora: Dna. Isabel Garcıa Morales

Director: Dr. D. Vıctor F. Munoz Martınez

MALAGA, Agosto de 2006

A Felipe.

Agradecimientos

Una tesis doctoral es un trabajo que no se puede culminar en solitario.Por ello, deseo expresar en este momento mi agradecimiento a todas las per-sonas que, de un modo u otro, me han ayudado a completarlo.

En especial a mi director de tesis, Dr. D. Vıctor F. Munoz Martınez,quien a lo largo de estos anos de trabajo ha demostrado su confianza en mı,me ha transmitido su entusiasmo por la investigacion y, lo mas importante,se ha convertido en un amigo.

Al Dr. D. Alfonso Garcıa Cerezo a quien le agradezco la orientacionrecibida durante este tiempo, ası como su apoyo incondicional.

Al Dr. D. Carlos Vara Thorbeck, porque sin su colaboracion y la de laI Catedra de Cirugıa de la Universidad de Malaga este trabajo no habrıa sidoposible.

A los companeros del Departamento, en especial al Dr. D. Jesus Gomezde Gabriel, al Dr. D. Jesus Fernandez Lozano y a D. Jesus Morales Rodrıguezquienes siempre estuvieron dispuestos a aportar su ayuda y conocimientos.

A Dna. Encarna Moyano, por todos los consejos recibidos y por todo elapoyo proporcionado.

A los companeros del Instituto de Automatica y Robotica de Andalucıa,D. Carlos Perez del Pulgar Mancebo, D. Javier Seron Barba y D. FranciscoDomınguez Fernandez, quienes han estado dispuestos a colaborar cuando hasido necesario y siempre han tenido una palabra de animo para mı.

Y por ultimo, aunque no menos importante, a mi familia, por estarpresente y ofrecerme su carino incondicional en los momentos cruciales.

Indice general

1. Introduccion 1

1.1. Introduccion a la Robotica Medica . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Contribuciones de la Tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3. Marco de realizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4. Estructura de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Robotica Medica 9

2.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2. Cirugıa laparoscopica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3. Sistemas roboticos quirurgicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1. CAD/CAM quirurgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.2. Asistentes quirurgicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4. Del asistente robotico a la telepresencia en cirugıa mınima-mente invasiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.5. Otros desarrollos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.6. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3. Navegacion de la camara laparoscopica en robots basados en munecas

pasivas 35

3.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2. Efecto de la incertidumbre de la posicion del fulcro en robots

basados en munecas pasivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3. Control de movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.4. Estimacion de la distancia exterior ρ . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.4.1. Trabajos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.4.2. Estimacion por mınimos cuadrados recurrentes . . . . . 533.4.3. Calculo por metodo geometrico . . . . . . . . . . . . . . 57

3.5. Ajuste de los parametros del generador de trayectorias . . . . . 593.6. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

VII

Indice general

4. Analisis de Riesgos 65

4.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.2. Seguridad en robots medicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.3. Analisis de riesgos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.3.1. Analisis What if . . . ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.3.2. Analisis funcional de operabilidad . . . . . . . . . . . . 734.3.3. Analisis por arbol de sucesos . . . . . . . . . . . . . . . 774.3.4. Analisis por arbol de fallos . . . . . . . . . . . . . . . . 824.3.5. Analisis de los modos de fallo y sus efectos . . . . . . . 87

4.4. Analisis de riesgos para un robot quirurgico . . . . . . . . . . . 944.4.1. FMEA aplicado a robots quirurgicos . . . . . . . . . . . 96

4.5. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5. Implantacion 101

5.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.2. El robot ERM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.2.1. Descomposicion funcional del sistema ERM . . . . . . . 1045.3. Analisis de riesgos FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.4. Calculo del factor de transformacion . . . . . . . . . . . . . . . 1245.5. Diseno Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.6. Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.7. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6. Experimentos 135

6.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1356.2. Requisitos generales para la seguridad en equipos electromedicos136

6.2.1. Compatibilidad electromagnetica . . . . . . . . . . . . . 1376.2.2. Seguridad en equipos electromedicos . . . . . . . . . . . 138

6.3. Protocolo clınico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396.3.1. Descripcion del ensayo clınico . . . . . . . . . . . . . . . 1396.3.2. Seleccion de sujetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1406.3.3. Procedimiento de utilizacion del asistente . . . . . . . . 1406.3.4. Evaluacion de la respuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . 1416.3.5. Acontecimientos Adversos . . . . . . . . . . . . . . . . . 1426.3.6. Aspectos eticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

6.4. Datos registrados durante las intervenciones . . . . . . . . . . . 1456.4.1. Datos Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

VIII

Indice general

6.4.2. Datos Subjetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1516.5. Curva de aprendizaje del uso del robot . . . . . . . . . . . . . . 1516.6. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

7. Conclusiones y lıneas de investigacion futuras 157

7.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1577.2. Lıneas de investigacion futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

A. Modelado cinematico del robot ERM 163

A.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163A.2. Sistemas de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163A.3. Modelo cinematico directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165A.4. Modelo cinematico inverso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167A.5. Modelo de la tarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169A.6. Relacion entre el modelo cinematico y el de la tarea . . . . . . 172

B. Arquitectura de control del robot ERM 175

B.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175B.2. Sistema actuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176B.3. Sistema sensorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177B.4. Interfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178B.5. Control de bajo nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180B.6. Control de alto nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182B.7. Sistema de alimentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

C. Consentimiento informado para la realizacion de colecistectomıa

laparoscopica 185

Referencias 189

IX

Indice general

X

Indice de figuras

2.1. Intervencion mediante cirugıa laparoscopica. . . . . . . . . . . . 11

2.2. La movilidad del instrumental laparoscopico esta limitada acuatro grados de libertad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3. Flujo de informacion en un sistema CIS (Taylor y Stoianovici,2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4. Sistema Robodoc en una intervencion de implantacion deprotesis de cadera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5. Robot Caspar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.6. Sistema Acrobot en una intervencion de sustitucion total derodilla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.7. Manipulador para puncion de agujas percutaneas. . . . . . . . 22

2.8. Sistema Lapman para el manejo de camara laparoscopica (izquier-da) y su interfaz de usuario basado en una botonera (derecha). 25

2.9. Sistemas Aesop (izquierda) y Endoassist (derecha) para elmanejo de la camara laparoscopica. . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.10. Sistema robotico Da Vinci. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.11. Sistema robotico Zeus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.12. Sistema robotico desarrollado por JHU para microcirugıa. . . . 32

3.1. Coordenadas esfericas en la tarea de navegacion de la camaralaparoscopica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2. Efecto del error de estimacion en la distancia exterior. . . . . . 39

3.3. Error de altitud φβ para ρe igual a 20 mm y a 50 mm. . . . . . 41

3.4. Error eβ para ρe igual a 20 mm y a 50 mm. . . . . . . . . . . . 42

3.5. Error de altitud debido a un movimiento de orientacion de lacamara. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.6. Esquema de control en bucle abierto del sistema. . . . . . . . . 46

3.7. Esquema del planificador de trayectorias. . . . . . . . . . . . . 47

XI

Indice de figuras

3.8. Esquema adaptativo para el control de movimiento cartesiano. 48

3.9. Sistemas de referencia en la herramienta del sistema Isa. . . . . 52

3.10. Calculo de la distancia al punto de insercion en el sistema Isa. 53

3.11. Compensacion del angulo de altitud. . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.12. Caso bidimensional del elipsoide de manipulabilidad. . . . . . . 61

4.1. Diagrama de flujo del procedimiento de analisis de riesgos. . . . 72

4.2. Esquema de un arbol de sucesos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.3. Representacion grafica de un arbol de fallos. . . . . . . . . . . . 83

4.4. Sımbolos utilizados para la representacion del arbol de fallos. . 85

4.5. Diagrama de flujo de un analisis FMEA. . . . . . . . . . . . . . 90

5.1. Asistente robotico Erm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.2. Componentes del asistente Erm. . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.3. Brazo servocontrolado del robot Erm. . . . . . . . . . . . . . . 107

5.4. Muneca pasiva del robot Erm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.5. Espacio de trabajo del robot Erm. . . . . . . . . . . . . . . . . 126

5.6. Semieje menor de la elipse de manipulabilidad para el plano xy. 127

5.7. Diagrama de clases UML simplificado. . . . . . . . . . . . . . . 129

5.8. Respuesta temporal para alcanzar una consigna deseada en elangulo de altitud β. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.9. Evolucion de la coordenada de orientacion α en un movimientoque modifica la altitud. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.10. Estimacion de la distancia exterior ρ. . . . . . . . . . . . . . . 133

6.1. El robot Erm durante las intervenciones realizadas. . . . . . . 146

6.2. Datos recogidos de la duracion de la intervencion en las dosseries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

6.3. Estancia de los enfermos en el hospital. . . . . . . . . . . . . . 149

6.4. Datos del reconocimiento de voz. . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

A.1. Asignacion de sistemas de referencia y parametros (DH1 ). . . . 164

A.2. Configuraciones codo arriba y codo abajo. . . . . . . . . . . . . 168

A.3. Movimientos permitidos del instrumental laparoscopico. . . . . 170

A.4. Modelo de la tarea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

B.1. Arquitectura de control del sistema Erm. . . . . . . . . . . . . 176

B.2. Distribucion del sistema de control en la base del robot Erm. . 176

XII

Indice de figuras

B.3. Receptor analogico para interfaz de usuario. . . . . . . . . . . . 179B.4. Esquema del controlador de movimientos de bajo nivel. . . . . 181

XIII

Indice de figuras

XIV

Indice de tablas

4.1. Analisis What if . . . ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.2. Palabras guıas utilizadas en el metodo HAZOP. . . . . . . . . . 764.3. Formato de recogida de datos del metodo HAZOP. . . . . . . . 774.4. Significado de las columnas de la tabla 4.3. . . . . . . . . . . . 774.5. Ejemplo de clasificacion de la severidad en un analisis FMEA. . 924.6. Ejemplo de clasificacion de la frecuencia de ocurrencia del mo-

do de fallo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.7. Ejemplo de clasificacion de la facilidad de deteccion del modo

de fallo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.8. Formato de recogida de datos del metodo FMEA. . . . . . . . . 944.9. Indice de riesgos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.10. Tabla de recogida de datos para dispositivos medicos. . . . . . 98

5.1. Analisis en modo de fallo del sistema de alimentacion. . . . . . 1125.2. Analisis en modo de fallo del brazo servocontrolado. . . . . . . . 1155.3. Analisis en modo de fallo de la muneca pasiva. . . . . . . . . . 1185.4. Analisis en modo de fallo del supervisor. . . . . . . . . . . . . . 1195.5. Analisis en modo de fallo de la interfaz de comunicacion. . . . . 120

6.1. Datos recogidos durante el ensayo clınico. . . . . . . . . . . . . 151

A.1. Parametros DH1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

XV

SINTESIS

Esta tesis trata el problema del control cartesiano de movimientos paraun robot portador de la camara en cirugıa laparoscopica. En concreto, sepropone un algoritmo de generacion de trayectorias esfericas en lınea quecompensa los errores de orientacion de la camara producidos por la incer-tidumbre en la posicion del fulcro (lugar donde la optica se introduce en elabdomen del enfermo). Asimismo, se ha tenido en cuenta que las trayectoriascalculadas no saturen los actuadores del manipulador mediante un estudiobasado en el concepto de manipulabilidad.

La estrategia de control elaborada se ha implantado en el asistenterobotico para la cirugıa laparoscopica Erm (disenado y construido durante larealizacion del presente trabajo), y con el se ha efectuado un ensayo clınicosobre dos series de dieciseis enfermos.

1. Introduccion

1.1. Introduccion a la Robotica Medica

En los ultimos anos se ha podido comprobar como se han incrementadolas relaciones entre la Medicina y la Ingenierıa. Las noticias sobre aplica-ciones de las nuevas tecnologıas al campo medico se han convertido en algopracticamente cotidiano. Los trabajos relacionados con el uso de cateteres in-teligentes (Fukuda et al., 1994) para navegar por arterias o venas y el uso derobots como ayuda para el implante de protesis de cabezas de femur (Kienzleet al., 1995) levantaron el interes en los foros especializados, tanto medicoscomo tecnologicos. Este impacto se debe, fundamentalmente, a la repercusione importancia que tienen todos los temas relacionados con la salud humanay, en particular, a la nueva vision que tiene el hombre de la enfermedad ydel tratamiento de la misma. Todo esto obliga al medico a un cambio en sumentalidad y en su forma tradicional de trabajo.

Las tecnicas laparoscopicas, en su vertiente tanto quirurgica como deherramienta de diagnostico, se configuran como uno de los campos idoneospara la aplicacion de nuevos procedimientos basados en la ingenierıa robotica.En la practica de la cirugıa mınimamente invasiva, el cirujano fundamentatodos sus movimientos y acciones en la informacion visual que percibe a travesde las imagenes mostradas en un monitor y provenientes de una camara cuyaoptica se encuentra en el interior del cuerpo del enfermo. El asistente delcirujano, durante la intervencion, dirige la camara mientras el cirujano realizalos procedimientos oportunos segun el tipo de intervencion en concreto. Deeste modo, la fatiga y el estres del asistente afectan de forma directa a lafirmeza y habilidad con que este maneja la camara y, como consecuencia,a la calidad de la imagen que se recibe en el monitor. Hechos como que laoptica roce una vıscera, no enfocar el area requerida por el cirujano o recibir

1

1 Introduccion

imagenes inestables en el monitor por la disminucion de la firmeza del pulsodel asistente, incrementan, de forma innecesaria, el tiempo requerido para laintervencion.

El uso de robots manipuladores en el manejo de la camara evitan losproblemas relatados, proporcionando movimientos precisos y un pulso firme alo largo de toda la intervencion. De este modo, empezaron a aparecer trabajosacerca del uso de robots como asistentes del cirujano. Para enviar las ordenesde movimiento requeridas para la camara al robot, algunos sistemas utiliza-ban una palanca de mandos (joystick), otros se mueven de forma automaticapara que la camara siga a la pinza del cirujano (Casals et al., 1995), utilizanun giroscopo acoplado a la cabeza del cirujano para que este lo dirija conmovimientos intuitivos de su cabeza (Finlay y Ornstein, 1995), o son guiadosmediante la voz (Sackier et al., 1997). Este ultimo tipo de sistemas se definecomo el mas facil de utilizar e intuitivo para los cirujanos, ya que no tienenque aprender o acomodarse a un dispositivo de guiado del robot extrano ensu rutina habitual.

Una vez consolidada esta primera fase de utilizacion de robots en estaclase de cirugıa, la siguiente cuestion que se plantearon los investigadores fueacerca de la efectividad de esta nueva herramienta. En este sentido, existentrabajos que comparan, mediante operaciones basicas de suturas, una inter-vencion realizada de forma habitual con otra realizada con un asistente robo-tizado (Garcıa-Ruiz et al., 1998), mientras que otros se preocupan de formaexclusiva sobre el ahorro de coste que implica sustituir al asistente humanotradicional por un robot (Turner, 1996). La conclusion de ambos trabajos seresume en que para ciertos tipos de suturas el cirujano necesita menos tiempoen completarlas y que introducir un asistente robotico sı supone un ahorro enel coste de la intervencion.

Una vez configurado el asistente robotico basico, se le puede dotarde caracterısticas adicionales para darle mayores prestaciones. Por ejemplo,puede portar camaras con opticas articuladas que para un cirujano resultancomplicadas de manejar, pero que el robot puede dirigir perfectamente paramostrar areas de difıcil acceso (Schraft y Wapler, 1995), o incluso se puede in-troducir el concepto de telepresencia, de modo que el cirujano no se encuentrade forma fısica en el quirofano manejando el robot (Green et al., 1995).

2

1.2 Contribuciones de la Tesis

En los ultimos anos, los investigadores, ademas de seguir desarrollandoel concepto de telepresencia en la cirugıa, trabajan en incorporar la realidadvirtual (Satava, 1998). Este concepto se basa en la fusion de las tecnologıasdigitales, la robotica y las tecnicas de cirugıa mınimamente invasiva y permi-tirıa al cirujano entrenar la intervencion antes de realizarla, mediante el uso deun modelo virtual y tridimensional del cuerpo del enfermo en un computador.

Como se ha detallado en esta introduccion, la incorporacion de lasnuevas tecnologıas a la cirugıa mınimamente invasiva, es un campo en conti-nuo movimiento y en el que se encuentra trabajando un gran numero de in-vestigadores en todo el mundo. Sus trabajos avanzan en disciplinas tales comoel desarrollo de nuevos interfaces con el cirujano, sistemas micro mecanicos osistemas tactiles que abren un amplio abanico de posibilidades a la roboticadentro de la cirugıa. Todo ello apunta a que el robot, en un futuro cercano,sea un elemento usual en cualquier quirofano con el que el cirujano debera en-contrarse familiarizado.

1.2. Contribuciones de la Tesis

Esta tesis ofrece resultados teoricos y experimentales acerca de la in-corporacion de robots a la practica de la cirugıa laparoscopica, centrandoseespecialmente en manipuladores para el manejo del laparoscopio. En particu-lar, y aparte del analisis del estado de la tecnica en base a las publicacionesexistentes, cabe destacar las siguientes contribuciones a la tesis:

1. Estudio de los errores de la localizacion de la camara laparoscopi-

ca en asistentes roboticos dotados con munecas pasivas.

En este tipo de robots cobra especial importancia la incertidumbre exis-tente sobre la posicion del punto de entrada del instrumento quirurgicoen el abdomen del paciente. Cualquier imprecision en la localizacion dedicho punto se traduce en un error en el posicionamiento de la camara.En esta tesis se realiza un estudio de los errores de orientacion y de in-sercion que se producen cuando la posicion de dicho punto no se conocecon exactitud.

2. Esquema de control para compensar los errores de orientacion

3

1 Introduccion

descritos en el punto anterior.

Se ha desarrollado e implantado un esquema de control cartesiano quegenera las trayectorias en lınea y que compensa los errores de orientacionproducidos por una mala estimacion en la localizacion del punto de in-sercion de la optica en el abdomen del paciente. Dicho sistema de controlse ha implantado en un asistente robotico para cirugıa laparoscopica de-sarrollado en el marco de la presente tesis (el sitema Erm) con el quese han realizado diferentes experimentos.

3. Aplicacion del concepto de manipulabilidad para generar trayec-

torias cartesianas en lınea tal que no se saturen los actuadores

del brazo manipulador.

El sistema de control propuesto genera las ordenes de velocidad carte-siana de manera que asegura que no se supera el valor maximo de ve-locidad que los actuadores del manipulador son capaces de desarrollar.Para ello se realiza un estudio basado en el concepto de manipulabili-dad de un brazo robot, que posteriormente se aplica al sistema Erm,mencionado en el punto anterior.

4. Metodologıa para la estimacion en lınea de la distancia entre

la camara y el punto de insercion de la optica en el abdomen

del paciente.

Como se ha comentado, la posicion del punto de insercion de la opti-ca en el abdomen del paciente se configura como un factor crıtico a lahora de conseguir un buen posicionamiento de la camara, y ademas senecesita para actualizar el generador de trayectorias propuesto. El unicoparametro desconocido para obtener dicha posicion es la distancia exis-tente desde la camara hasta el punto de insercion. Con el objeto de es-timar dicha distancia, se han propuesto y comparado dos metodologıas,una de ellas basada en mınimos cuadrados recurrentes y la otra a travesde una solucion geometrica.

5. Adaptacion del metodo de analisis de riesgos FMEA para su

aplicacion en un robot quirurgico.

En una aplicacion como la robotica medica, todos los aspectos relaciona-dos con la seguridad adquieren una especial relevancia. De esta forma,a partir de los metodos de analisis de riesgos impuestos en la industria

4

1.3 Marco de realizacion

hoy en dıa, y de la normativa que rige los aparatos electromedicos, seha propuesto una adaptacion del analisis de riesgos FMEA aplicablea robots quirurgicos. Dicho analisis de riesgos se ha llevado a cabo enel sistema Erm como paso previo a obtener la autorizacion para losensayos clınicos.

6. Estudio clınico sobre la eficacia del robot asistente para cirugıa

laparoscopica desarrollado.

Se han llevado a cabo todos los pasos necesarios para llevar el asistentequirurgico Erm a clınica humana. A partir de un protocolo clınico se hanrecopilado datos sobre las intervenciones y se ha realizado un estudioque recoge la eficacia del robot asistente con respecto a parametrosobjetivos como es la duracion de la intervencion, ası como en relacion adatos subjetivos como la satisfaccion de los cirujanos.

1.3. Marco de realizacion

La realizacion de esta tesis ha estado determinada por las actividadesde investigacion que se realizan en el Departamento de Ingenierıa de Sistemasy Automatica de la Universidad de Malaga, en la lınea de robotica quirurgica,y en particular en el diseno y construccion del robot asistente para cirugıalaparoscopica Erm, en sus distintas versiones.

Dicha lınea de investigacion surge de la colaboracion entre el menciona-do Departamento y la I Catedra de Cirugıa de la Universidad de Malaga.El nacimiento de esta tesis ha sido posible gracias a la adjudicacion a la au-tora de una beca dentro de los proyectos de investigacion coordinados FIS00/0050-01 y FIS 00/0050-02, para ser desarrollada en el Departamento deIngenierıa de Sistemas y Automatica.

El sistema Erm ha sido desarrollado, asimismo, dentro del marco de es-tos proyectos. La autora se ha ocupado directamente del diseno e implantacionde los componentes electricos y electronicos del sistema, ası como del desarro-llo del subsistema de control y de los experimentos realizados en el laboratoriosobre simuladores de pacientes y con animales de experimentacion. Tambienha participado en todo el proceso necesario para llevar el sistema a clınica

5

1 Introduccion

humana.

1.4. Estructura de la tesis

La tesis se encuentra divida en siete capıtulos, tres apendices y lasreferencias bibliograficas. Excepto este primer capıtulo y el dedicado a lasconclusiones y desarrollos futuros, los restantes se inician con una introduc-cion, que expone la problematica que se debe resolver, junto con una brevedescripcion del contenido, y terminan con unas conclusiones que destacan losaspectos mas importantes y los resultados experimentales en aquellos casosen que se requieran. La organizacion del contenido de esta tesis se describeen el presente apartado.

En el capıtulo 2, Robotica quirurgica, se recogen algunas de las diversasaplicaciones de la robotica a la practica quirurgica que han sido publicadasen la literatura. Se presta una especial atencion al campo de la cirugıa la-paroscopica, se exponen algunos de los principios que caracterizan a estadisciplina, y se comentan algunos de los sistemas desarrollados en los ultimosanos.

El capıtulo 3, titulado Navegacion de la camara laparoscopica en robotsbasados en munecas pasivas, estudia el movimiento de los robots laparoscopi-cos, en particular de los dotados con munecas de articulaciones pasivas. Deesta manera, se realiza un analisis de los errores que se producen como conse-cuencia de la incertidumbre existente en la posicion del punto de insercion dela optica en el abdomen del paciente. Se propone un sistema de control quegenera las trayectorias en lınea, y que compensa los errores producidos por laincertidumbre mencionada. Para ajustar los parametros de este generador detrayectorias se propone un procedimiento basado en un estudio del concep-to de manipulabilidad, y que evita que los actuadores del robot se saturen.Asimismo se proponen dos metodologıas para la estimacion de la posicion delpunto de insercion de la optica.

El capıtulo 4, bajo el epıgrafe Analisis de riesgos, se dedica a aspectosde seguridad, que en robotica aplicada a cirugıa, son de especial relevancia.Concretamente se plantea la necesidad de realizar un analisis de riesgos, por

6

1.4 Estructura de la tesis

lo que se describen las distintas metodologıas que existen para tal fin, y seescoge una de ellas para aplicarla a un sistema robotico quirurgico de acuerdoa la norma que rige este tipo de dispositivos.

El capıtulo 5, Implantacion, aplica todos los contenidos teoricos vistosen los capıtulos anteriores al sistema Erm. Para ello se realiza una descripcionfuncional del sistema que sera la base para realizar el analisis de los modos defallos y sus efectos sobre el mismo. Asimismo, se realizan los ajustes necesariospara la implantacion del control de movimientos dentro de la arquitectura decontrol del sistema, y se verifica su funcionamiento a partir de experimentosin-vitro.

El capıtulo 6, Experimentos, afronta los pasos necesarios para llevarel robot a clınica humana segun la normativa europea que rige los aparatoselectromedicos. Para ello, primero se describen los ensayos realizados sobreel sistema en relacion a la compatibilidad electromagnetica y seguridad, ya continuacion se describe el protocolo clınico que se ha elaborado para larealizacion de las investigaciones clınicas. Por ultimo se muestran los resulta-dos obtenidos de las intervenciones realizadas y se obtienen unas conclusionessobre la eficacia del sistema, en cuanto a la disminucion del tiempo de inter-vencion y con respecto a la mejora que se produce en la calidad de la imagenlaparoscopica.

El capıtulo 7, Conclusiones y lıneas de investigacion futuras, destacalos aspectos y las contribuciones mas relevantes de la tesis, a la vez que lasfuturas lıneas de investigacion que se derivan del trabajo realizado.

Por ultimo, en los dos primeros apendices se recogen detalles acerca delsistema Erm, tanto de su modelo cinematico, como de su arquitectura decontrol. El tercer apendice muestra el consentimiento que deben firmar lospacientes para formar parte de las investigaciones clınicas desarrolladas en eltranscurso de la presente tesis.

7

1 Introduccion

8

2. Robotica Medica

2.1. Introduccion

A medida que la tecnologıa robotica evoluciona, se produce un aumentode la calidad de la cirugıa gracias a mayores capacidades en cuanto a pre-cision, estabilidad y destreza que pueden aportar la incorporacion de nuevossistemas. Se han desarrollado sistemas roboticos para muchas especialidadesquirurgicas. De este modo, en neurocirugıa, se han disenado robots guiadosa traves de imagenes que pueden realizar una biopsia de lesiones cerebralesproduciendo un dano mınimo en tejidos adyacentes (Davies et al., 2000). Encirugıa ortopedica, se utilizan robots de forma habitual para operaciones deimplante de cadera y sustitucion de rodilla (Kazanzides et al., 1995; Meisteret al., 1998; Jakopec et al., 2003). Tambien se utilizan robots en oftalmologıa,para procedimientos de microcirugıa (Guerrouad y Vidal, 1991), y para en-trenamiento y simulaciones quirurgicas. Y como estos, se pueden encontrarejemplos de sistemas roboticos en una gran variedad de campos de la cirugıa.Sin embargo, no es la intencion de la presente tesis describir cada uno de lossistemas existentes, sino simplemente hacer una revision de los mas impor-tantes.

Ası, este capıtulo pretende ofrecer una vision general de como la evolu-cion de las nuevas tecnologıas se ha ido incorporando a distintos campos dela cirugıa. Dentro de ellos, y por ser el tema en que se centra este trabajo,se hace especial mencion a la aplicacion de sistemas roboticos dentro de lacirugıa laparoscopica.

9

2 Robotica Medica

2.2. Cirugıa laparoscopica

Dentro de las diversas tecnicas de la cirugıa donde se aplican las nuevastecnologıas, la cirugıa laparoscopica se muestra como un campo de aplicaciondonde la incorporacion de sistemas roboticos esta siendo cada vez mas comun.Al ser objeto de esta tesis un asistente robotico disenado explıcitamente paraeste tipo de intervencion, se describen a continuacion sus particularidades,ası como los problemas que surgen asociados a ella y que limitan la capacidadde actuacion del cirujano.

Laparoscopia es el nombre que reciben los procedimientos quirurgicosmınimamente invasivos que se desarrollan en el abdomen, frente a la laparo-tomıa que es la cirugıa abdominal convencional. En un procedimiento la-paroscopico se utiliza un numero variable de pequenas incisiones en el cuerpodel paciente a traves de las cuales el cirujano inserta instrumentos especiales(de cana larga) y una optica con el fin de ejecutar una operacion (vease figu-ra 2.1). Las imagenes de los organos internos se captan por una pequenacamara de television y se transmiten a un monitor. Ası pues, el cirujanoutiliza una imagen de vıdeo para guiarse durante la operacion, frente a lacirugıa tradicional abierta en la que puede observar directamente las estruc-turas anatomicas objeto de la intervencion. Del mismo modo, en laparoscopiano hay contacto directo con las estructuras anatomicas tratadas.

Esta forma de intervencion se traduce en diversas ventajas para el pa-ciente como menor tiempo de recuperacion, menor riesgo de complicacionesy mejores resultados esteticos (cicatrices mas reducidas). Sin embargo, parael cirujano supone una serie de dificultades adicionales:

1. Durante una intervencion laparoscopica, el cirujano solamente recibeinformacion visual por medio de la imagen de vıdeo de un endoscopio.Dicho endoscopio consiste en una camara CCD que dispone de unaoptica especial, alargada, que se introduce en el cuerpo del paciente atraves de una incision. Aparecen, de este modo, una serie de problemasvisuales:

Vision plana. Puesto que solo se dispone de la imagen de unacamara, se carece de vision estereoscopica, de manera que incluso

10

2.2 Cirugıa laparoscopica

Figura 2.1.: Intervencion mediante cirugıa laparoscopica.

las tareas sencillas de manipulacion requieren mas tiempo (Greenet al., 1995). Aunque ha habido intentos de introducir endoscopiosestereoscopicos, estos no han tenido buena acogida.

Iluminacion. La luz necesaria para que la optica capture las imagenesse conduce a traves de la optica. Es un tipo de iluminacion anti-natural, y agudiza el problema de la percepcion del volumen.

Campo de vision. La amplitud de la imagen endoscopica es siempremenor que la del ojo humano. Este problema se mitiga en partecon la utilizacion de opticas con angulo.

Resolucion, contraste y fidelidad de la imagen. Estas caracterısti-cas se ven afectadas por la calidad de la camara, el monitor y lailuminacion. Ademas, es probable que la disposicion del personaly del material en el quirofano impida colocar el monitor en unaposicion optima.

2. El instrumental laparoscopico constituye un tipo especial de instrumen-tal quirurgico, con una longitud mucho mayor que la habitual parapermitir la manipulacion en el interior del cuerpo del paciente a travesde unas pequenas incisiones. Estos puntos de entradas no pueden modi-ficarse lateralmente, lo que limita la movilidad del instrumental a solo

11

2 Robotica Medica

cuatro grados de libertad: dos rotaciones en torno al punto de insercion,una en torno al eje de la herramienta y un desplazamiento a lo largo dedicho eje (ver Figura 2.2). Esta limitacion plantea varios problemas ala manipulacion:

Inversion del movimiento. El punto de insercion actua como unfulcro, haciendo que la herramienta pivote en torno a el (salvo enel movimiento de penetracion-extraccion).

Escalado. La herramienta amplifica o atenua el movimiento delcirujano en funcion de la penetracion.

Perdida del tacto. Las texturas de los tejidos y los esfuerzos setransmiten muy pobremente en las tecnicas endoscopicas, pues sepierde el contacto directo con los tejidos.

Punto de inserción (fulcro)

Desplazamiento

Rotación en torno al eje de la herramienta

Rotaciones en torno al punto de inserción

Figura 2.2.: La movilidad del instrumental laparoscopico esta limitada a cua-tro grados de libertad.

3. El desarrollo de una intervencion laparoscopica exige la utilizacion de,al menos, tres instrumentos: la camara mas otros dos para manipula-ciones. Esto implica que el cirujano necesita un ayudante, ademas delinstrumentista que le acerca el material quirurgico, que maneje algunade las herramientas (generalmente la camara). Para ello es necesariauna gran coordinacion entre el asistente y el cirujano, que presenta lossiguientes problemas fundamentales:

12

2.3 Sistemas roboticos quirurgicos

El cirujano debe hacer entender en cada instante que es lo quequiere que haga el ayudante, con los consecuentes problemas pro-pios de la comunicacion verbal.

La camara, al ser sujetada por una persona, no es totalmente es-table, y la imagen resulta afectada por el pulso de quien la sostiene.Este efecto se hace mas acusado segun se prolonga la intervencion.

El asistente, situado en una posicion incomoda, tiene dificultadespara mover con precision la camara, lo que en ocasiones hace quela optica roce alguna vıscera y sea necesario extraerla y limpiarla.Esto se traduce en un aumento de la duracion de la intervencion,y por tanto el tiempo que el paciente esta sometido a anestesia.

Asimismo, es frecuente que el cirujano necesite usar mas de dos ins-trumentos a la vez. lo que requiere la participacion de un segundocirujano. Esto agrava el primero de los problemas de coordinaciondetallados.

Son precisamente estos problemas de coordinacion los que han impul-sado la aparicion de asistentes mecanicos mas o menos evolucionados, con elobjetivo de dar al cirujano a cargo de la operacion tanta autonomıa como seaposible.

2.3. Sistemas roboticos quirurgicos

Durante las ultimas decadas, los sistemas roboticos se han ido intro-duciendo cada vez mas en las salas de operaciones. Una de las razones por lacual las aplicaciones quirurgicas han progresado tan rapidamente es el avanceque ha experimentado la tecnologıa. De este modo, el desarrollo producido enrobotica, ası como las tecnicas de recogida y procesamiento de informacion oel tratamiento de imagenes, han favorecido la aparicion de sistemas roboticospara aplicaciones quirurgicas.

Sin embargo, incluso los sistemas mas sofisticados (como robots espe-cializados para tareas especıficas dentro de una intervencion) necesitan de lapresencia humana para ciertas funciones como preparar el paciente, realizar

13

2 Robotica Medica

algunas incisiones o suturas, u otras muchas tareas. Los sistemas roboticos nopretenden sustituir al cirujano, sino tan solo ampliar sus capacidades.

De esta manera, algunos sistemas podran llevar a cabo ciertas tareasde forma autonoma, sin intervencion humana, como puede ser la ejecucion deun plan preoperatorio, mientras que el cirujano se limita a establecer dichoplan y a supervisar la ejecucion para asegurarse de que el procedimiento sedesarrolla de forma adecuada. En el otro extremo tendremos sistemas que soncontrolados directamente por el cirujano, de manera que el sistema no ejecutaninguna tarea, ni ningun movimiento, sin la previa orden del cirujano. En untermino medio, aparecen sistemas en los que el cirujano y el sistema roboticotrabajan de forma conjunta, compartiendo el control de la operacion.

Con la incorporacion de estos sistemas al ambito medico, aparecen al-gunos terminos nuevos como son CAS (cirugıa asistida por computador; serefiere normalmente al preoperatorio), CIS (cirugıa integrada por computa-dor: cuando se integran el preoperatorio, la intervencion y el postoperatorio),telemedicina (sistemas de videoconferencia o transmision de imagenes para eldiagnostico), solosurgery (intervencion en solitario), cybersurgery (interven-cion mediante el uso de herramientas de telepresencia), telecirugıa (uso de latelerobotica en las intervenciones), . . .

Un catalizador importante a la hora de la introduccion de dichas aplica-ciones ha sido el desarrollo de tecnicas de obtencion y tratamiento de imagen,en tres dimensiones, como las tomografıas computerizadas (CT ) y las re-sonancias magneticas, y en dos dimensiones como tecnicas de ultrasonidos,fluoroscopias o radiografıas de rayos-X.

Los robots medicos pueden clasificarse en funcion de diferentes aspectos,tales como por el diseno del manipulador (cinematica, actuacion), por el nivelde autonomıa (sistemas pasivos, sistemas activos, . . . ), por la tecnica utilizadao la zona de la anatomıa objeto de intervencion (laparoscopia, cirugıa intra-vascular, cirugıa cardıaca, microcirugıa, . . . ), etc. En el caso de esta tesis,la clasificacion utilizada se centra en el papel que los robot medicos juegandentro del sistema (Taylor y Stoianovici, 2003). De esta forma se tienen dosfamilias fundamentales: los sistemas CAD/CAM quirurgicos (conocidos comosistemas CIS ) y los sistemas asistentes quirurgicos.

14


2.3.1. CAD/CAM quirurgico

Uno de los conceptos que han surgido con la incorporacion de las nuevastecnologıas en un entorno quirurgico lo constituye la cirugıa integrada por or-denador (del ingles Computer integrated Surgery, CIS ), tambien conocidocomo CAD/CAM quirurgico. En este tipo de sistemas, el procedimiento sepuede dividir en varias etapas: el preoperatorio, la intervencion y el postope-ratorio. Estas tres etapas se muestran en la figura 2.3.

A la izquierda de dicha figura se muestra la primera de las etapas men-cionadas: el preoperatorio. Durante esta etapa se realiza una planificacionprevia a la intervencion propiamente dicha. Se recoge informacion especıficaacerca del paciente, entre la que se incluye imagenes medicas, tanto en dosdimensiones como en tres dimensiones. Estas imagenes, unidas a la informa-cion general sobre la anatomıa humana es utilizada para crear un modelopor ordenador del paciente, y ası poder generar el plan de la operacion. Dichoplan consiste, por ejemplo, en las trayectorias que debe seguir un instrumento,como puede ser un torno manejado por un sistema robotico en una operacionde protesis de cadera.

Una vez comenzada la intervencion, se recoge informacion del pacientea traves de sensores, lo que normalmente implica la utilizacion de localizacion3D, imagenes de ultrasonidos o rayos-X. Esta informacion puede llevar, encaso de encontrarse alguna discrepancia con el modelo establecido durante laetapa preoperatoria, a la modificacion del plan generado con anterioridad. Unavez actualizado el plan, se procede a la intervencion en la que normalmente secuenta con la asistencia de un sistema robotico para la ejecucion del mismo. Elflujo de informacion a lo largo de esta etapa se muestra en el cuadro situado enla zona superior derecha de la figura 2.3. Como se puede apreciar, en cualquiermomento de la intervencion puede modificarse el plan generado a partir de laactualizacion del modelo.

La informacion sensorial y las imagenes 2D y 3D recogidas durante laoperacion pueden utilizarse para el seguimiento postoperatorio y para validarlos procedimientos quirurgicos llevados a cabo (ver cuadro inferior derecho dela figura 2.3).

Las ventajas proporcionadas por la utilizacion de este tipo de sistemas

15

2 Robotica Medica

Figura 2.3.: Flujo de informacion en un sistema CIS (Taylor y Stoianovici,2003).

depende de cada aplicacion individual, pero en cualquier caso incluye:

Obtencion de imagenes medicas precisas. La evolucion en la tecnologıapara la adquisicion y tratamiento de imagenes permite crear modelosmuy fiables, tanto en dos dimensiones, como en tres dimensiones, de losorganos internos del paciente.

A traves del establecimiento de sistemas de referencias y de la obtencionde nueva informacion durante la propia intervencion, se puede establecerla relacion entre la posicion del instrumental y el punto de interes enel paciente con toda precision, ası como detectar cualquier discrepanciaentre el modelo generado y la realidad, lo que llevarıa a una modificaciondel plan establecido.

Capacidad de trabajar en entornos de imagenes que no son muy sencillosde manejar para cirujanos.

Capacidad para reposicionar de forma sencilla y rapida el instrumental

16


a traves de trayectorias complejas.

A continuacion se describen algunas de las tecnicas quirurgicas para lascuales se han desarrollado sistemas CIS, o bien estan en fase de estudio.

Cirugıa ortopedica

La cirugıa ortopedica ha sido una de las primeras areas de la cirugıa enla que se han desarrollado aplicaciones roboticas. En este tipo de cirugıa, laprecision geometrica es normalmente un factor muy importante. Por ejemplo,los implantes ortopedicos en la sustitucion de articulaciones deben ajustarseapropiadamente y deben ser posicionados con exactitud. En osteotomıas, serequiere una alta precision en el corte de los huesos y a la hora de reposicionarlos fragmentos. En la cirugıa de columna vertebral normalmente deben colo-carse distintos elementos en las vertebras, muy cerca de la medula espinal, dealgunos nervios y de vasos sanguıneos importantes. Ademas, comparado contejidos blandos, los huesos son relativamente mas faciles de manipular y se de-forman poco, con lo que las tecnicas guiadas por imagenes son relativamentefaciles de implementar. Estas circunstancias hacen de la cirugıa ortopedicaun campo muy propicio para el desarrollo de aplicaciones CAD/CAM.

Dentro de este tipo de procedimientos, el implante de protesis de caderay la sustitucion total de rodilla son los procedimientos que han experimentadouna mayor atencion a la hora de desarrollar aplicaciones quirurgicas. Tambiense estan llevando a cabo estudios en otras areas como reconstruccion craneo-facial y tratamiento de fracturas, aunque no estan tan evolucionados comolos primeros.

En las intervenciones de cadera, la protesis a implantar consta de doscomponentes: el primero de ellos consiste en un alojamiento de metal ypolımero que se coloca en el acetabulo, que encajara con el segundo de loscomponentes, una pieza alargada de metal que se inserta en una cavidadcreada al efecto a lo largo del eje del femur.

Los problemas postoperatorios mas frecuentes que surgen en esta in-tervencion se deben fundamentalmente a una preparacion inadecuada de lacavidad femoral, una colocacion defectuosa del implante, ası como una mala

17

2 Robotica Medica

eleccion del tamano o la forma de la protesis a implantar. De esta forma,un mal ajuste entre la protesis y su cavidad puede provocar dolores inten-sos, ademas de aumentar la probabilidad de dislocaciones del componenteacetabular de la protesis y de fracturas femorales.

Estas circunstancias llevaron al desarrollo de distintos sistemas quirurgi-cos encaminados a mejorar la precision de la cavidad femoral y facilitarla seleccion de la protesis. Los mas destacados son el sistema Robodoc

(Kazanzides et al., 1995) mostrado en la figura 2.4, y el sistema Caspar

(Meister et al., 1998), con una filosofıa similar y que parece en la figura2.5. Ambos sistemas han sido utilizados en clınica humana y comercializados,aunque el segundo de ellos no se encuentra actualmente en el mercado. El pro-cedimiento general consta de dos partes bien diferenciadas: un procedimientopreoperatorio y la intervencion quirurgica en sı misma.

Figura 2.4.: Sistema Robodoc en una intervencion de implantacion deprotesis de cadera.

En el preoperatorio, el cirujano dispone de un modelo en tres dimen-siones del femur del paciente, obtenido a partir de una tomografıa. De estamanera es posible seleccionar una protesis que se ajuste a las necesidades detamano y forma de la estructura anatomica especıfica, ademas de establecerunos puntos de referencia concretos a partir del implante de unas agujas detitanio. Gracias a herramientas graficas potentes, el cirujano establece el em-

18


Figura 2.5.: Robot Caspar.

plazamiento correcto de la protesis elegida, para evitar complicaciones post-operatorias. Durante la intervencion, el sistema robotico se lleva manualmentea la posicion de las agujas insertadas, de manera que se establece una relacionentre el plan preoperatorio y la localizacion fısica del femur. Llegados a estepunto y tras inmovilizar el femur mediante una fijacion externa, un torno dealta velocidad instalado en el extremo del manipulador crea la cavidad parala protesis. Tanto los ensayos como las operaciones reales han mostrado quelos sistemas Robodoc y Caspar reducen significativamente el espacio entrela protesis y el hueso.

La sustitucion total de la rodilla es un procedimiento parecido, pero notan comun como la implantacion de protesis de cadera, y consiste en reem-plazar completamente las superficies de articulacion danadas por implantesprotesicos. Normalmente una protesis de este tipo consta de tres compo-nentes, uno para cada hueso de la rodilla: femur, tibia y rotula. Para ajustarla protesis, cada uno de dichos huesos debe cortarse manualmente de unaforma especıfica (normalmente mediante una serie de planos) para acoplarseal correspondiente componente de la protesis.

Se trata de un procedimiento que requiere una gran precision en lacolocacion de la protesis, ya que un implante imperfecto se traduce en una

19

2 Robotica Medica

disminucion del tiempo de duracion del mismo, en dolores y en una reduccionde la movilidad de la rodilla.

La incorporacion de sistemas roboticos a esta tecnica mejora notable-mente la precision a la hora de dar la forma apropiada a los huesos, y porconsiguiente, en la colocacion de la protesis. Tanto el sistema Robodoc co-mo el Caspar han sido aplicados a este tipo de intervencion (Wiesel et al.,2001; Siebert y Mai, 2001). Asimismo, se han propuesto otros sistemas quese han llevado a clınica humana como el sistema Acrobot (Jakopec et al.,2003), con un enfoque diferente ya que es directamente el cirujano el que guıamanualmente el robot. En este caso el sistema esta limitado por softwarede manera que no pueda situarse fuera de la zona del hueso que debe sereliminada. La figura 2.6 muestra este sistema durante una intervencion.

Figura 2.6.: Sistema Acrobot en una intervencion de sustitucion total derodilla.

Otros sistemas CIS

La neurocirugıa es una aplicacion quirurgica que demanda una granprecision, ya que si se dana una estructura anatomica crıtica por un error de

20


posicionamiento, las consecuencias para el paciente pueden ser muy graves.Por otro lado, la posicion del cerebro esta fijada con respecto al craneo, loque permite una referencia precisa y estable, ası como imagenes medicas entres dimensiones muy fiables. Por esta razon, la neurocirugıa es un campomuy apropiado para el desarrollo de la cirugıa integrada por computador,y fue una de las primeras especialidades quirurgicas en utilizar tecnicas deguiado por imagenes. Ası, en la cirugıa estereotaxica se sujetan al craneodel paciente marcos de referencia que sirven de guıa para los instrumentosdentro del cerebro. De esta forma, durante las exploraciones preoperatoriasse localiza la lesion, y se utilizan los marcos como sistema de referencia paraemplazarlas durante la operacion. En este sentido se encuentran propuestascomo el Igor (Cinquin et al., 1992), o el Neurobot. Este ultimo consisteen un sistema guiado manualmente dentro de un espacio restringido (Davieset al., 2000) y que ha permitido reducir intervenciones quirurgicas en la basedel craneo desde mas de ocho horas hasta dos horas (Handini et al., 2004).Estas intervenciones son muy delicadas, ya que junto a la base del craneo sesituan vasos sanguıneos vitales y una gran cantidad de nervios.

Otro campo de aplicacion potencial lo constituye la terapia percutanea,ya que encaja perfectamente dentro de la filosofıa de los sistemas CIS. Elproceso basico consiste en una planificacion de la terapia especıfica para elpaciente, una ejecucion de dicha terapia a traves de accesos percutaneos (nor-malmente mediante la insercion de agujas bajo la piel) con la asistencia demanipuladores (ver figura 2.7) y una vez concluida, una revision de controlpara la evaluacion de los resultados. Una de las primeras aplicaciones de sis-temas de este tipo consistio en la reseccion y tratamiento de coagulacion porlaser del cancer de hıgado (Dohi, 1995). En primer lugar, la reconstruccion delhıgado a traves de imagenes en tres dimensiones permite calcular la direccionmas apropiada para el laser de manera que no se danen los vasos sanguıneosdel organo. Los resultados de estos calculos se trasladan al modelo del pa-ciente y finalmente, con toda la informacion generada, se realiza la insercion,con la ayuda de un manipulador, de las agujas encargadas de la aplicaciondel laser.

Tambien en este sentido se han adaptado sistemas de radiocirugıa comoel Cyberknife, de manera que utilizan sistemas roboticos comerciales paraposicionar correctamente el dispositivo responsable de la terapia, con respecto

21

2 Robotica Medica

Figura 2.7.: Manipulador para puncion de agujas percutaneas.

al paciente. De esta forma, se integran la planificacion previa al tratamientomediante imagenes, y la aplicacion y monitorizacion de la terapia. De he-cho, la planificacion de radioterapia tiene muchos aspectos en comun con laplanificacion en otras aplicaciones CAD/CAM.

2.3.2. Asistentes quirurgicos

La cirugıa es un proceso interactivo que requiere que se adopten unagran cantidad de decisiones dentro de la sala de operaciones. El objetivo dela robotica quirurgica no es la de sustituir al cirujano por un robot, sinoproporcionarle un conjunto de herramientas versatiles que aumenten sus ca-pacidades para tratar al paciente. Ası, normalmente se habla de los robotsmedicos como asistentes quirurgicos que trabajan cooperando con el cirujano.

Actualmente hay dos clases principales de robots asistentes. La primerade ellas son los asistentes quirurgicos auxiliares, que trabajan junto al ciru-jano y realizan funciones tales como la sujecion de la camara laparoscopica.Estos sistemas suelen tener interfaces tales como control de voz, movimientode un joystick,. . . Sin embargo, se han realizado esfuerzos en conseguir mas

22

2.4 Del asistente robotico a la telepresencia en cirugıamınimamente invasiva

autonomıa en dichos asistentes de manera que requiera menos atencion porparte del cirujano. En este sentido se utilizan tecnicas, como por ejemplovision por ordenador, para mantener el endoscopio centrado en un puntoanatomico determinado, o para seguimiento del instrumental quirurgico. To-dos estos aspectos se detallan en el siguiente apartado.

La segunda clase de robots medicos consiste en amplificadores de lashabilidades del cirujano (surgeon extenders). Esta clase de robots es manejadadirectamente por el cirujano y aumentan la destreza del mismo en el manejode ciertos instrumentos. La mayorıa del trabajo que se ha realizado para elaumento de las capacidades del cirujano se centra fundamentalmente en lateleoperacion. De esta manera se utiliza con mucha frecuencia los sistemas conmanipuladores maestro-esclavo, que pueden estar dotados de realimentacionde fuerzas. Esto permite al cirujano aplicar fuerzas escaladas, y de esta maneraobtener mucha mas precision. De igual forma sucede con los movimientos, demanera que movimientos amplios en el manipulador maestro se traducen aotros muy pequenos en el esclavo. Con todo esto se puede evitar el temblorde la mano, se reducen las tasas de error y se acorta el tiempo de operacion,entre otras ventajas.

Esta division de los asistentes quirurgicos no ha sido fruto de dos lıneasde investigacion independientes entre sı, sino que ha resultado de la evolucionnatural del concepto primigenio de robot asistente, hacia la cirugıa en solitario(solosurgery) en primer lugar, y hacia el llamado surgeon extender como pasofinal. En el siguiente apartado se describe esta evolucion.

2.4. Del asistente robotico a la telepresencia en

cirugıa mınimamente invasiva

Como se ha comentado, la cirugıa mınimamente invasiva pretende mi-nimizar las incisiones que se practican al paciente, con objeto sobre todo demejorar el tiempo de recuperacion y disminuir las complicaciones en el post-operatorio. El inconveniente aparece bajo la forma de nuevas restricciones ydificultades para el trabajo del cirujano, que se solventan mediante un rigu-roso aprendizaje de las tecnicas quirurgicas mınimamente invasivas, que en lapractica limita la difusion de las mismas.

23

2 Robotica Medica

Ante esta situacion, surge la idea de incorporar sistemas de ayuda alos cirujanos con la incorporacion de nuevos procedimientos basados en laingenierıa robotica. El objetivo se centra en eliminar los inconvenientes queintroduce este tipo de intervenciones para su practica con respecto a las con-vencionales por cirugıa abierta. En concreto, el efecto de movimiento en espejodel instrumental, la falta de sensacion de tacto, y la vision bidimensional, enun monitor, del campo de trabajo, hacen necesario un entrenamiento previode los cirujanos que van a realizar este tipo de procedimientos. La meta finalde los investigadores, enunciada ya a finales de la decada de los noventa, secentra, mediante el uso de la tecnologıa en el ambito de la robotica y de lascomunicaciones, en el diseno de una herramienta que hiciese que el cirujanoactuase como lo harıa en cirugıa abierta (Satava, 1998). En otras palabras, sepretende eliminar los problemas inherentes de la cirugıa mınimamente inva-siva.

Uno de los retos que se pretenden alcanzar con el uso de las tecnologıasdescritas mas arriba se centra en la sustitucion del ayudante en los proce-dimientos por cirugıa laparoscopica. En este tipo de tecnicas resulta crıticoque el asistente centre con la camara la zona de interes donde el cirujano seencuentra interviniendo, de manera que la fatiga o el estres de este ultimoinfluyen en gran medida en la calidad de la realizacion de su tarea. Comoconsecuencia, pueden ocurrir hechos como que la optica roce un tejido, queno se enfoque el area requerida por el cirujano, o recibir imagenes inestablesen el monitor por la disminucion de la firmeza del pulso del asistente.

El uso de robots manipuladores en el manejo de la camara evitan losproblemas relatados mas arriba, proporcionando movimientos precisos y unpulso firme a lo largo de toda la intervencion. De este modo, empezaron aaparecer trabajos acerca del uso de robots como asistentes del cirujano. Paraenviar las ordenes de movimiento requeridas para la camara al robot, algunossistemas utilizaban una palanca de mandos (joystick), otros se mueven deforma automatica para que la camara siga a la pinza del cirujano (Casals et al.,1995), utilizan un giroscopo acoplado a la cabeza del cirujano para que estelo dirija con movimientos intuitivos de su cabeza (Finlay y Ornstein, 1995),o son guiados mediante la voz (Sackier et al., 1997). Tambien hay trabajosen el que los movimientos del robot se guıan de forma precisa interpretandomediante un sistema de vision artificial los movimientos de la cabeza del

24


cirujano (Nishikawa et al., 2003) y otros en los que se utiliza una botoneraacoplada a la palma de la mano del cirujano (Polet y Donnez, 2004), tal ycomo se muestra a la derecha de la figura 2.8.

Figura 2.8.: Sistema Lapman para el manejo de camara laparoscopica(izquierda) y su interfaz de usuario basado en una botonera(derecha).

De estos ultimos trabajos, empieza a aparecer el concepto de solo-surgery. Este se refiere a la situacion en la cual el ayudante es sustituidototalmente por un robot en sus labores durante la intervencion, y por tanto elcirujano puede operar en solitario. Si las labores de este asistente se limitan amover la camara laparoscopica, se puede decir que mediante los robots posi-cionadores de la camara laparoscopica ya se alcanza este nivel de solosurgery.Bajo esta consideracion, existen robots asistentes comerciales para posicionarla camara laparoscopica como Aesop de Computer Motion (Wang y Laby,1998), el sistema Endoassist de Armstrong Healtcare (Dowler and Holland,1996) o el Lapman de Medsys (Polet y Donnez, 2004). Los dos primerossistemas se muestran en la figura 2.9, mientras que el tercero aparece en lafigura 2.8. Asimismo, existen otros prototipos de posicionadores de camaralaparoscopica como los basados en los trabajos de investigacion ya clasicos deR.H. Taylor y J. Funda con sus sistemas Lars (Taylor et al., 1995) e Hisar

(Funda et al., 1995).

25

2 Robotica Medica

Figura 2.9.: Sistemas Aesop (izquierda) y Endoassist (derecha) para elmanejo de la camara laparoscopica.

Sin embargo, en muchos procedimientos el asistente del cirujano no selimita al movimiento exclusivo de la camara, sino que ademas maneja otrotipo de instrumental. En este sentido, se requieren sistemas mas sofisticadosque sean capaz de manejar instrumental especıfico ademas de la camara la-paroscopica. Esto se puede considerar como un nivel mas elevado de cirugıaen solitario.

Uno de los enfoques mas tratados en la literatura cientıfica para abordareste nivel mas elevado de solosurgery consiste en el uso de tecnicas de tele-operacion y telepresencia. Ası, ya a mediados de los noventa se enunciarıan laslimitaciones que aparecen en el control de movimientos para teleoperar instru-mental quirurgico en un espacio de trabajo restringido como es el interior delabdomen humano (Funda et al., 1996). Asimismo, se comenzaron a desarrollarestructuras mecanicas especiales para portar instrumental y poder planificarlas trayectorias con precision (Faraz y Payandeh, 1999). Para introducir algu-nas prestaciones de telepresencia en forma de realimentacion de fuerzas para

26


el cirujano comenzaron a utilizarse dispositivos hapticos que proporcionaroncierta sensacion de tacto (Madhani et al., 1998; Ortmaier y Hirzinger, 2000;Tavakoli et al., 2003), e incluso discriminar con las pinzas entre diversos tiposde tejidos (Rosen et al., 1999). En cuanto a las prestaciones de precision delos sistemas teleoperados cabe destacar aquellos que aumentan la destreza delcirujano para permitirle realizar tareas submilimetricas (Kumar et al., 1999).

Existen sistemas teleoperados mas complejos dotados de dos brazos ma-nipuladores para portar instrumental quirurgico y un tercero para llevar unsistema de vision estereo (Mayer et al., 2004). Entre estos ultimos, los sis-temas comerciales mas relevantes que incorporan varios brazos, son el Zeus

de Computer Motion (Butner y Ghodoussi, 2001) y el sistema Da Vinci

(Niemeyer et al., 2000). Ambos sistemas constan de tres brazos manipulado-res esclavos de manera que uno de ellos maneja la camara laparoscopica y losotros dos se encargan del resto del instrumental quirurgico. En la figura 2.10se puede observar la estacion de teleoperacion del sistema Da Vinci, al fondode la imagen, junto a su sistema robotico de tres brazos en primer plano, yen la figura 2.11 se muestra el sistema Zeus. Este ultimo es una evoluciondel Aesop y aporta un sistema de cirugıa completo analogo al Da Vinci,pero sin capacidad de telepresencia y centrandose exclusivamente en la tele-manipulacion. Se ha utilizado para intervenciones por cirugıa mınimamenteinvasiva, y con el se ha realizado una teleintervencion desde San Francisco aBoston y otra, en septiembre de 2001, desde Manhatan a Estrasburgo.

Sin embargo, la enorme complejidad y coste limitan el impacto clınicoque por sus prestaciones pudiera alcanzar. Un sistema mas sencillo desa-rrollado para desempenar tareas especıficas que no requiera ni instalacionesespeciales ni formacion especıfica puede ser mas eficiente en la mejora de lascondiciones de la practica de la cirugıa laparoscopica. De esta forma, exis-ten otras investigaciones que proponen sistemas mas sencillos basados en dosbrazos roboticos, uno para manejar la camara y otro para un instrumentaladicional (Schurr et al., 1999) utiles en ciertos tipos de intervenciones.

A pesar de ello, algunos autores propugnan que el uso de robots enla cirugıa, aunque proporcionan mayor precision, pueden alargar el tiempode las intervenciones (Kumar et al., 1999). De esta manera, hay que buscarmejoras para aumentar la eficiencia de los sistemas roboticos en el sentido

27

2 Robotica Medica

Figura 2.10.: Sistema robotico Da Vinci.

mencionado. Una de las formas en las que se ataca este problema consiste enla automatizacion de ciertas maniobras quirurgicas. Para ello, en primer lugarse requiere construir un modelo del proceso quirurgico en cuestion (Rosenet al., 2002; Ko y Kwon, 2004) para identificar las tareas susceptibles deser automatizadas. Ası, hay trabajos que han automatizado el movimientode la camara (Ko et al., 2005), o son capaces de realizar algunos tipos desuturas de forma automatica (Kang y Wen, 2001). En este sentido, el sistemarobotico adquiere cierta capacidad de decision ya que conoce en que estadode la intervencion se encuentra en cada momento.

Tanto para las tareas de teleoperacion como para las maniobras auto-matizadas se requiere el desarrollo de nuevas estructuras cinematicas parabrazos portadores de instrumental quirurgico, ası como algoritmos de controlde movimientos que permitan realizar las trayectorias requeridas, ya sean tele-operadas o automaticas. Estas trayectorias se caracterizan porque describenmovimientos en forma de esfera en el punto de entrada del abdomen (puntode fulcro). Precisamente por esta razon estan dotados de munecas esfericasque pueden ser actuadas o pasivas.

28


Figura 2.11.: Sistema robotico Zeus.

A medida que los robot interaccionan en mayor medida con el cuer-po del paciente, se requieren sistemas tolerantes a fallos que garanticen laseguridad durante la intervencion. Este resulta un tema comun en la inge-nierıa, en los sistemas informaticos (Jacoub y Ammar, 2002), y sin embargoes un tema poco recogido en las publicaciones cientıficas del area de la cirugıarobotizada. En este sentido se destacan los trabajos realizados sobre el roboturologico URObot, en que se describe una metodologıa para identificar, eva-luar y controlar los riesgos de seguridad medica (Fei et al., 2000), el analisisde modos de fallos y sus efectos (FMEA) realizados sobre el sistema paratele-ecografıa TER (Guiochet y Vilchis, 2002) y los analisis realizados parallevar a cabo diversos experimentos en la Universidad Politecnico de Milano(Rovetta, 2000).

La aparicion de toda esta tecnologıa como ayuda a la cirugıa mınima-mente invasiva esta creando un problema colateral de cambios en la formaciony la capacitacion quirurgica de los cirujanos para adaptarse a estos cambios

29

2 Robotica Medica

tecnologicos. En concreto, parece que el futuro de este campo se vera re-forzado por la automatizacion, precision y la posibilidad de teleasistencia(Gomez-Fleitas, 2004).

Se preve que el 60 % de los procedimientos quirurgicos pueden realizarsepor vıa endoscopica, pero solo se realizan los mas basicos aunque los hospitalesdispongan de los medios tecnicos adecuados. Solo una pequena parte de lasintervenciones se encuentran estandarizadas. Con el uso de la robotica sepretende que se realicen de forma mas comoda los procedimientos avanzadosque actualmente son abordados de manera minoritaria.

2.5. Otros desarrollos

En los apartados anteriores se ha realizado un repaso a algunos de losasistentes quirurgicos que han surgido en el campo de la cirugıa laparoscopica.Sin embargo, existen otras muchas areas de la cirugıa en las que se han desa-rrollado aplicaciones de este tipo. Como ejemplo de las mismas, aparece la ma-nipulacion de sondas de ultrasonidos cuando se habla de asistentes quirurgicosauxiliares, o la microcirugıa en cuanto a los llamados surgeon extenders men-cionados en el apartado 2.3.2. Ambas aplicaciones se detallan brevemente acontinuacion.

Manipulacion de sondas de ultrasonidos

Recientemente ha surgido el interes sobre otro campo de aplicacionde los asistentes quirurgicos auxiliares: sistemas roboticos para la manipu-lacion de sondas de ultrasonidos. Basicamente estas aplicaciones se centranen procedimientos de diagnostico, como por ejemplo examen de la arteriacarotida para detectar oclusiones. Sin embargo estos sistemas tienen el po-tencial suficiente para convertirse en una aplicacion comun como ocurre conlos manipuladores de camara laparoscopica. Ası hay trabajos (Abolmaesumiet al., 2001; Mitsuishi et al., 2001) que presentan sistemas que utilizan robotspara posicionar de forma remota la sonda de ultrasonidos. El primero de estostrabajos utiliza un sistema pasivo para guiar al manipulador, mientras queel segundo emplea una configuracion maestro-esclavo con realimentacion de

30

2.6 Conclusiones

esfuerzos para manejar las sondas de ultrasonidos.

Microcirugıa

La mayorıa de los robots para microcirugıa estan basados en configura-ciones maestro-esclavo con realimentacion de esfuerzos. Como se ha comen-tado anteriormente, este tipo de sistemas permite al cirujano aplicar fuerzasy movimientos escalados de manera que se consigue obtener mucha mas pre-cision. Sin embargo esta solucion presenta dos inconvenientes: en primer lugar,el coste asociado a dos sistemas mecanicos, y en segundo lugar el hecho deque el cirujano no maneje directamente el instrumento, sino que lo haga adistancia. De hecho, los cirujanos estan mas dispuestos a aceptar disposi-tivos asistentes si pueden seguir manipulando ellos mismos el instrumentalquirurgico.

Una solucion con respecto a esta ultima cuestion lo constituyen lossistemas en los que el instrumento es manejado por el cirujano y el robot deforma cooperativa, de manera que el manipulador detecta la fuerza ejercidapor el cirujano en el instrumento y se mueve en consecuencia. Este es elcaso del sistema desarrollado en la universidad Johns Hopkins (The JohnsHopkins Universisty, JHU ) (Funda et al., 1996) que aparece en la figura 2.12.Aplicaciones inmediatas de estos sistemas incluyen cirugıa ocular, del oıdo yneurocirugıa.

Un enfoque alternativo que reducen el temblor lo constituyen los ins-trumentos manejados a mano, sin brazo robotico, guiados por el cirujano yque, a partir de sensores inerciales, detectan los movimientos del temblor ylos cancelan a traves de los actuadores (Riviere y Thakor, 1996; Ang et al.,1995). Sin embargo estos dispositivos no contribuyen a soportar instrumentospesados y no permiten mantener el instrumento en una localizacion fija.

2.6. Conclusiones

La robotica medica presenta un potencial muy elevado para mejorar laprecision y las capacidades de los cirujanos a la hora de realizar procedimien-tos quirurgicos. En este sentido han aparecido numerosos sistemas en muy

31

2 Robotica Medica

Figura 2.12.: Sistema robotico desarrollado por JHU para microcirugıa.

diferentes areas de la cirugıa: ortopedia, oftalmologıa, cirugıa laparoscopica,neurocirugıa, entre otras.

Ası, se pueden encontrar sistemas complejos que integran todas las fa-ses de la intervencion: preoperatorio, operatorio y postoperatorio. Son losllamados sistemas CIS. Estos sistemas, permiten realizar la planificacion dela intervencion a partir de imagenes en tres dimensiones o en dos dimensiones.Esta planificacion se actualiza, si es necesario, durante la intervencion, en laque normalmente se cuenta con la ayuda de un robot. Con ello se consiguemucha mas precision, y por ejemplo, en el caso de la ortopedia, resultadosmucho mas duraderos y con menores problemas postoperatorios.

Por otro lado, aparecen sistemas para aumentar las capacidades delcirujano durante el transcurso de la intervencion, normalmente mediante tele-operacion, o sistemas muy simples que tan solo pretenden asistir al cirujano,por ejemplo, sujetando la camara en intervenciones de cirugıa laparoscopica.

De esta manera, en este capıtulo se ha realizado un breve repaso dealgunos de estos sistemas. Resulta imposible abarcarlos todos, ya que es untema que cada vez esta siendo mas abordado por la ingenierıa, debido a larelevancia que implica todo lo relacionado con la salud.

32

2.6 Conclusiones

Concretamente, por ser el objetivo de esta tesis, este capıtulo se ha cen-trado en aquellos sistemas que pretenden mitigar los problemas que aparecenen la cirugıa laparoscopica, como el efecto de movimiento en espejo del ins-trumental, la falta de sensacion de tacto, y la vision bidimensional, en unmonitor, del campo de trabajo.

33

2 Robotica Medica

34

3. Navegacion de la camara

laparoscopica en robots basados en

munecas pasivas

3.1. Introduccion

Las tecnicas laparoscopicas suponen una alternativa eficiente frente ala cirugıa abierta convencional a la hora de tratar diferentes clases de afec-ciones. Una de las principales ventajas de este metodo es que el pacienterequiere menos tiempo de recuperacion despues de la intervencion. Sin em-bargo, el trabajo del cirujano es mas complicado debido a las restriccionesnaturales de este tipo de operacion. En particular, el hecho de acceder a lacavidad abdominal con instrumentos largos a traves de pequenas incisionesen la piel dificulta el procedimiento: produce limitaciones de movimientos,perdida de contacto y de percepcion en tres dimensiones y problemas de co-ordinacion entre el ojo y las manos (Faraz y Payandeh, 2000). El desarrollode asistentes roboticos para el manejo de herramientas quirurgicas o camaraslaparoscopicas, pretende mitigar dichos aspectos.

Los posicionadores automaticos son una categorıa de estos asistentesroboticos, y estan especializados en el posicionamiento preciso del extremode los instrumentos quirurgicos dentro de la cavidad abdominal (Faraz yPayandeh, 2000). Dichos posicionadores describen movimientos en forma deesfera en el punto de entrada (fulcro) del abdomen, y esta es la razon de quelos posicionadores esten dotados de munecas esfericas (Hurteau et al., 1994).

Un asistente robotico que se base en una muneca pasiva garantiza queno se ejerzan esfuerzos en el punto de entrada, ya que su estructura mecanicapermite la acomodacion al mismo. Sin embargo, cualquier incertidumbre en

35

3 Navegacion de la camara laparoscopica en robots basados enmunecas pasivas

la posicion relativa entre el posicionador automatico y el punto de fulcro,disminuye la precision a la hora de emplazar el extremo del instrumento.Este hecho es un peligro intrınseco para el paciente, por lo que este tipo demuneca se suele utilizar normalmente para tareas de posicionamiento que nosean crıticas, como los movimientos de navegacion de la camara laparoscopica.Efectivamente, en este tipo de acciones, el riesgo se reduce a un mal centradode la camara con respecto al objetivo deseado. Este tipo de munecas se puedeencontrar en sistemas como el Zeus (Ortmaier y Hirzinger, 2000), o el desa-rrollado por la Universidad de Malaga y que es objeto de esta tesis (Munozet al., 2003).

Las munecas actuadas, por otro lado, evitan la dificultad en la pre-cision del posicionamiento mencionada por medio de estructuras mecanicasespeciales. Estan disenadas de tal manera que tienen un centro remoto derotacion, que debe establecerse de manera que coincida con el punto de fulcro(Taylor et al., 1995), para ası evitar ejercer esfuerzos peligrosos en el cuer-po del paciente. El punto de pivote esta perfectamente localizado y, de estamanera, la precision de los movimientos esfericos de la herramienta esta ase-gurada. Algunos esquemas usuales estan basados en modelos de cuatro barras,como el Lars (Taylor et al., 1995), el Blue Dragon (Rosen et al., 2002) o ladenominada robotic extender configuration (Faraz y Payandeh, 2000). Otrosenfoques utilizan elementos semicirculares para el mismo fin, como es el casodel Endobot (Kang y Wen, 2001).

En cualquier caso, es necesario considerar una estrategia de controlcartesiano para conseguir los movimientos esfericos de la herramienta quirurgi-ca sobre el punto de fulcro. Los esquemas clasicos se basan en el controlindirecto de las coordenadas esfericas introduciendo informacion cinematicaen el bucle de realimentacion articular. Por ejemplo, la generalizacion de lastecnicas del jacobiano extendido (Funda et al., 1996) calcula las variables ar-ticulares generalizadas a partir de las referencias de movimiento cartesianas.Otros esquemas incluyen un bucle de control de velocidad con el proposito deseguir una trayectoria introducida a traves de algun dispositivo de entradacon realimentacion de esfuerzos (haptic input device) (Ortmaier y Hirzinger,2000).

Por ultimo, y como se ha mencionado, la incertidumbre en la posicion

36

3.2 Efecto de la incertidumbre de la posicion del fulcro en robotsbasados en munecas pasivas

del punto de insercion de la optica ejerce una fuerte influencia en la cinematicade los sistemas roboticos basados en munecas pasivas. De esta forma, la es-trategia de control utilizada normalmente incluye un algoritmo geometrico deestimacion en lınea para minimizar el error de localizacion del mismo (Fundaet al., 1995). Ademas el robot se fija mecanicamente a la mesa de operacionescon el objeto de facilitar la estimacion de la posicion del fulcro. El inconve-niente de esta solucion es que dificulta y encarece la integracion del sistemarobotico en el quirofano.

Este capıtulo se centra en la problematica que existe en el control demovimiento de un asistente quirurgico portador de una camara laparoscopicacon muneca pasiva. De esta forma, en el apartado dos se plantea la naturalezade los movimientos de la camara con este tipo de muneca y se establecen lostipos de errores que se producen en el posicionamiento de la optica. En eltercer apartado se propone un esquema de control de movimientos que almismo tiempo que estima en lınea la posicion del fulcro, solventa el problemacolateral del error de la orientacion de la optica, no tratado en otros enfoques.Como efecto practico, con la metodologıa propuesta se evita la necesidad defijar el robot a la mesa de operaciones, lo que repercute en la sencillez depuesta en marcha del sistema y que en el quirofano no se requiere ninguntipo de instalaciones especiales para su utilizacion. Esto hace que el prototipode asistente laparoscopico desarrollado se distinga en este aspecto de otrossistemas comerciales. En el siguiente punto se proponen diversas estrategiaspara la estimacion de la distancia al punto de insercion. A continuacion, enel apartado cinco se propone un algoritmo para ajustar los parametros delcontrolador de manera que se asegura que los actuadores no se saturen, garan-tizando ası las trayectorias deseadas. Dicho algoritmo se basa en el conceptode manipulabilidad. Por ultimo, el capıtulo termina con unas conclusiones.

3.2. Efecto de la incertidumbre de la posicion del

fulcro en robots basados en munecas pasivas

La tarea denominada como navegacion laparoscopica consiste en el posi-cionamiento de la camara, con el objetivo de que la optica este dirigida haciauna estructura anatomica deseada dentro de la cavidad abdominal, y permi-

37


ta, de esta manera, mostrar al cirujano la zona de interes en cada momentode la intervencion. La muneca del robot emula los movimientos que realizarıaun cirujano si tuviera que mover la camara el mismo. Estos desplazamientosse encuentran contenidos en la superficie de una esfera centrada en el pun-to de insercion de la optica, lo que introduce una restriccion de movimientoholonomica. La muneca pasiva se acomoda a esta limitacion de tal maneraque la localizacion del extremo de la optica se determina tan solo mediantela posicion relativa de la camara con respecto a su punto de entrada (Fundaet al., 1995). Lo expuesto anteriormente se detalla en la figura 3.1, donde seha introducido el sistema de referencia de la tarea unido al punto de fulcro,para poder especificar la localizacion relativa de la camara a traves de lascoordenadas esfericas α (angulo de orientacion), β (angulo de altitud) y ρ

(llamada distancia exterior y definida como la distancia existente desde elcentro de rotacion de la muneca pasiva hasta el punto de fulcro, a lo largo dela optica) (Hurteau et al., 1994). Los angulos α y β pueden calcularse a partirde la lectura de los sensores internos del robot, si bien no ocurre lo mismocon el valor de ρ.

{F}

XF

ZF

Trocar

Punto de fulcro Óptica

Cámara

YF

Cuerpo del paciente

Figura 3.1.: Coordenadas esfericas en la tarea de navegacion de la camaralaparoscopica.

38


Para poder realizar la planificacion de trayectorias, deben conocerselas localizaciones de los sistemas de coordenadas asociados a la camara yal fulcro con respecto a la base del robot. La camara se encuentra fijada ala muneca pasiva, y por tanto, su localizacion viene dada por la cinematicadirecta del robot. Sin embargo, el sistema de coordenadas del fulcro no seencuentra unido a ningun elemento del robot, sino que esta situado en el trocarque se inserta en el cuerpo del paciente, y por tanto, su posicion absolutaexacta resulta incierta. Esta circunstancia ejerce una fuerte influencia en laprecision a la hora de alcanzar una coordenada esferica dada. Una localizacionerronea del sistema de coordenadas del fulcro, implica una imprecision en elposicionamiento de la camara, que conlleva un error en los valores medidos delas coordenadas esfericas de orientacion y de altitud. De esta manera, el errorde estimacion de la distancia exterior ρ provoca unos efectos no deseados enla planificacion, tal y como se muestra en la figura 3.2.

b) ρ < ρ’

ZF

φφφφββββ

ββββ’

ββββ

ρρρρe

AB

B’

XF F

F’

ρρρρ

ρρρρ’

eββββ

a) ρ > ρ’

eββββ

φφφφββββ

ββββ’

ββββ

A

B

B’

F’

F

ZF

XF

ρρρρ

ρρρρe

ρρρρ’

Figura 3.2.: Efecto del error de estimacion en la distancia exterior.

Los esquemas que aparecen en la figura 3.2 muestran un movimien-to de la camara consistente en la variacion del angulo de altitud β. Dichomovimiento parte del punto inicial dado por la coordenada A, y llega hasta

39


el punto destino, dado por la coordenada B, suponiendo un angulo de ori-entacion, α, nulo. La magnitud ρ′ representa la distancia exterior estimada,mientras que ρ es la distancia exterior real, de tal forma que ρe constituye elerror de estimacion cometido. Estas tres magnitudes verifican la expresion:

ρ = ρ′ + ρe (3.1)

El esquema de la izquierda de la mencionada figura (3.2.a) consideraun valor positivo de ρe, mientras que el esquema derecho (3.2.b) representaun valor negativo para esta magnitud. En ambos casos, el sistema calcula unatrayectoria de arco de cırculo erronea para la camara, ya que utiliza comoradio del giro el valor estimado ρ′, y por tanto se produce un giro alrededorde una posicion del fulcro incorrecta F ′ (lınea continua). El punto de fulcroesta situado realmente en F, de tal manera que si se considera la distancia ala camara ρ, se obtiene un movimiento ideal que esta representado mediantelınea discontinua.

Por tanto, y tal como se observa en las figuras mencionadas, este erroren el calculo de la penetracion exterior, ρe, provoca dos tipos de efectos en elposicionamiento de la camara laparoscopica:

Un error de altitud φβ, definido como la diferencia entre el angulo dealtitud obtenido β′ y el angulo deseado β.

Un error de insercion debido a la desviacion que se produce de la trayec-toria ideal al final del movimiento (distancia euclıdea entre B y B′).

Mediante consideraciones geometricas, para un desplazamiento de alti-tud determinado β, se obtienen las coordenadas cartesianas de los dos puntosB y B′ con respecto a un sistema de referencia situado en la posicion delpunto de fulcro real F.

B = ( xB zB ) = ( ρ′ sinβ ρe + ρ′ cosβ′ )

B′ = ( xB′ zB′ ) = ( (ρe + ρ′) sinβ′ (ρe + ρ′) cosβ′ )(3.2)

40


donde el angulo de altitud obtenido β′ se define:

β′ = arctan(xB

zB

)= arctan

(ρ′ sinβ

ρe + ρ′ cosβ

)(3.3)

Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, el error de altitudφβ , se define mediante la expresion 3.4.

φβ = arctan(

sin(β − β′)cos(β − β′)

)= arctan

(ρe sinβ

ρ′ + ρe cosβ

)(3.4)

La figura 3.3 representa el comportamiento del error de altitud medianteun conjunto de isolıneas que se determinan a partir de la variacion tanto delangulo de altitud β (representado en el eje horizontal desde 0o hasta 90o)como de la distancia exterior ρ (en el eje vertical, desde 130 mm a 280 mm).Las lıneas de contorno se han etiquetado con el error cometido (en grados)asociado, de tal forma que las isolıneas continuas corresponden a un error dedistancia exterior igual a 20 mm, mientras que las discontinuas se refieren aun error igual a 50 mm.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

140

160

180

200

220

240

260

280

β (grados)

ρ (m

m.)

5 5

10

5 5

10

10

20

20

30

30

φβ para ρe=20mmφβ para ρe=50mm

Figura 3.3.: Error de altitud φβ para ρe igual a 20 mm y a 50 mm.

Si se realiza un estudio preliminar de la expresion 3.4 se llega a la

41


conclusion de que la relacion entre ρ y ρe supone una fuerte influencia en elerror de altitud. En concreto, a medida que el cociente ρe/ρ se incrementa, φβ

aumenta con mayor rapidez. De esta manera, en la figura 3.3 se observa comolas isolıneas estan mas cerca entre sı cuando la distancia exterior adopta suvalor mınimo (ρ igual a 130 mm).

Por otra lado, el error de insercion cometido eβ , debido a la desviacionrespecto a la trayectoria ideal, se define como la diferencia entre la distanciaexterior real, ρ, y el modulo del punto objetivo B :

eβ = ‖B′‖ − ‖B‖ = ρ− ‖B‖ = ρ′ + ρe −√

(ρ′ sinβ)2 + (ρe + ρ′ cosβ)2 (3.5)

La figura 3.4 tambien utiliza la representacion mediante isolıneas paracaracterizar el error de insercion cometido, eβ. El rango de variacion de β yρ, los valores de ρe, y el tipo de isolınea son similares a los descritos en lafigura anterior. Las etiquetas asociadas muestran el valor absoluto del errorde insercion expresado en milımetros.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

140

160

180

200

220

240

260

280

β (grados)

ρ (m

m.)

2

2

4

4

4

6

2 2

4

4

6

6

8

8

10

10

eβ para ρe=20mmeβ para ρe=50mm

Figura 3.4.: Error eβ para ρe igual a 20 mm y a 50 mm.

A diferencia del error de altitud, este efecto no tiene una influencia

42


sustancial en el error de la distancia exterior ρe, y se puede considerar comouna funcion que depende del incremento de angulo de altitud realizado y delerror cometido en la estimacion actual de la distancia exterior. Sin embargo,constituye una fuente potencial de peligros mayores que el error de altituddebido a que una insercion superior a la deseada implica un desplazamientono controlado de la optica que puede danar algun organo interno. Un error dealtitud, por otro lado, tan solo provoca que el punto de interes no este biencentrado.

Las expresiones 3.4 y 3.5 proporcionan los errores de altitud y pene-tracion de la optica para cualquier angulo de orientacion, ası como paracualquier incremento de altitud. De forma similar, con estas expresiones puedeobtenerse un analisis para un movimiento en el que se modifique tan solo elangulo α, proporcionando los errores cometidos en la orientacion y en lainsercion (denominados φα y eβ) con tan solo sustituir α por β en dichasexpresiones.

Finalmente, el error de insercion conlleva un efecto de acoplamientoentre los angulos de orientacion y de altitud. Un movimiento de orientacioncausa una modificacion no deseada en la altitud. La figura 3.5 ilustra estasituacion, y describe un desplazamiento en la orientacion desde la posicioninicial A hasta la posicion final B. El esquema de la izquierda (3.5.a) muestrauna vista en planta del mencionado movimiento (plano XF − YF ) donde F yF ′ conservan su significado anterior. Por otro lado η y η′ son las proyeccionesde ρ y ρ′ respectivamente. Este esquema se interpreta de forma similar al dela figura 3.2. El movimiento comienza en la posicion A, y el planificador detrayectorias utiliza η′ y F ′ para computar la orientacion objetivo en el puntofinal B. Sin embargo, la desviacion de la trayectoria eα de la posicion objetivodeseada B′ conlleva un cambio de altitud γ que se muestra en el esquema dela derecha (3.5.b).

De esta forma, el cambio de altitud definido, desde un punto de vistageometrico, es una funcion de la desviacion de la trayectoria eα , el angulo dealtitud β en el punto A y el angulo de altitud nuevo β′ medido despues delmovimiento de orientacion al punto objetivo B :

43


F

A

F’

eαααα

B’

B

φφφφαααα

αααα’

αααα ηηηηηηηη’

ηηηηe

YF

XF

F

a) Vista en planta

eαααα

B’ B

γγγγ ββββ’

ββββ

ZF

XF

b) Vista de perfil

Figura 3.5.: Error de altitud debido a un movimiento de orientacion de lacamara.

γ = arctan(

sin(β − β′)cos(β − β′)

)= arctan

(eα cosβ

ρ′ + ρe − eα sinβ

)(3.6)

Un estudio de la expresion 3.6 muestra que el efecto del acoplamientoes una magnitud despreciable incluso en la peor situacion. Es necesario unincremento de sesenta grados en la orientacion para obtener una variacion enaltitud de un grado.

El analisis geometrico desarrollado en este apartado concluye que unerror en la distancia exterior provoca una influencia significativa en los erroresde orientacion y altitud. Sin embargo, tiene una importancia menor para elefecto de acoplamiento. Por tanto, se puede disenar un controlador cartesianodesacoplado: uno para eliminar los errores de orientacion y otro para loserrores de altitud.

44

3.3 Control de movimientos

3.3. Control de movimientos

En la mayorıa de los casos, las estrategias de control utilizadas paracompensar los errores de penetracion y de orientacion debidos a la incer-tidumbre de la posicion del punto de fulcro, se basan en enfoques geometricosque determinan la distancia de la optica exterior al abdomen ρ (Ortmaiery Hirzinger, 2000; Wang y Laby, 1998). Concretamente, el objetivo de estemetodo consiste en calcular la distancia entre dos vectores consecutivos deorientacion del eje de la optica. Se supone que el punto de fulcro se encuentraen el punto medio del segmento que los une. De esta forma, en cada movi-miento de la camara se actualiza la estimacion del punto de insercion. Sinembargo, este enfoque no compensa las imprecisiones de la localizacion delfulcro durante el movimiento actual. Dichas imprecisiones se originan por fac-tores como ruidos en los sensores incorporados o desplazamientos del puntode entrada debidos a la interaccion del cirujano durante la intervencion.

El esquema de control que se propone en este capıtulo se ha disenadopara compensar los errores de orientacion, de altitud y de penetracion. Unaprimera version del mismo, particularizada para los movimientos de altitud,aparece en la figura 3.6. Dicho esquema se fundamenta en el uso de un planifi-cador de trayectorias cartesianas que, conectado al robot, se encarga de que lamuneca de este realice el movimiento esferico, siguiendo la respuesta temporalde un sistema de primer orden. En otras palabras, si Lr representa la longitudde arco que hay que recorrer para alcanzar la coordenada esferica objetivo,el efector final del robot, gracias a la actuacion del mencionado planificador,recorrera la longitud de arco siguiendo la dinamica impuesta Ls(t). Supuestoun error de estimacion ρe nulo, segun la figura 3.2 para el caso de la varia-ble esferica β, la altitud de la optica en cada instante de tiempo resulta delcociente de la longitud de arco recorrida Ls(t) entre la distancia exterior realρ (β = Ls(t)\ρ). Por tanto, bajo la suposicion mencionada, en la figura 3.6se puede apreciar un esquema de control en bucle abierto de la altitud de laoptica, donde Kρ debiera tomar el valor de la distancia exterior ρ, magnitudque se aproxima gracias al uso de un estimador geometrico que se representaen la esquina superior derecha de la mencionada figura.

La figura 3.7 representa el planificador de trayectorias mencionado an-teriormente, que impone a la longitud de arco recorrida, el comportamiento

45


Figura 3.6.: Esquema de control en bucle abierto del sistema.

detallado por la expresion 3.7.

L(t+ T ) = e−T/t L(t) +K(1 − e−T/t)Lr (3.7)

En la expresion anterior, τ y K son respectivamente la constante detiempo y la ganancia estatica del sistema de primer orden impuesto. Por otraparte, T corresponde al tiempo de muestreo. Segun el esquema presentadoen la figura 3.6, se puede establecer K = 1. Ası se asegura que, segun laexpresion 3.7, se alcanza la referencia objetivo Lr.

De esta forma, tal y como se muestra en la mencionada figura, el ge-nerador de estados calcula una consigna de arco planificada, L(t), y una ve-locidad, L(t), para el efector final del robot. A continuacion, el generador decaminos y el perfil de velocidades, por medio de una estimacion de la distanciaexterior ρ′, transforman las referencias esfericas en posiciones y velocidadescartesianas del efector final (X(t), X(t)). Finalmente, el bloque etiquetadocon cinematica inversa, calcula los vectores articulares requeridos (θ(t), θ(t))para el movimiento planificado.

El generador de trayectorias propuesto, ligado al controlador articularde bajo nivel del robot, debe ser capaz de realizar un desplazamiento dadocon la dinamica temporal impuesta para una constante de tiempo, τ , de-

46


Figura 3.7.: Esquema del planificador de trayectorias.

terminada. Esta accion es posible ajustando los parametros del mencionadocontrolador articular y seleccionando un valor adecuado para τ tal que nosature los actuadores del robot, cuestion que se abordara en el apartado 3.5.Sin embargo, el esquema de control en bucle abierto presentado en la 3.6 nogarantiza que se alcance la coordenada esferica objetivo, ya que para ello,el cociente entre la distancia exterior estimada, ganancia Kp, y la real, ρ,deberıa ser la unidad. Este hecho es difıcil de conseguir debido a que existeun error de estimacion y, ademas, como consecuencia del mismo, la distanciaexterior real varıa a lo largo del movimiento segun el estudio realizado sobreel error de insercion y reflejado en la expresion 3.5.

Para alcanzar la posicion objetivo, a pesar del error de estimacion dela distancia exterior, se ha anadido una ley de control PI al controladorcartesiano en bucle abierto presentado anteriormente, tal y como se muestraen la figura 3.8. Este esquema se considera generico y por tanto es validotanto para el movimiento de orientacion como para el de altitud.

De esta forma, el controlador cartesiano mencionado, considerando co-mo entrada la localizacion deseada de la optica (αd o βd), genera una trayec-toria esferica suave que se utiliza como referencia para la ley de control PI(trayectoria esferica deseada). El bucle de control realimenta la localizacionreal de la optica (α o β) para calcular la trayectoria esferica referida, utilizadapara eliminar el error de localizacion debido a la incertidumbre de la distancia

47


Figura 3.8.: Esquema adaptativo para el control de movimiento cartesiano.

exterior ρ. Dicha trayectoria esferica se convierte a longitud de arco requeridaLr a traves de la ganancia Kρ.

Esta nueva magnitud entra al bloque formado por el planificador detrayectorias y el robot, como ya se ha explicado anteriormente, para que elefector final recorra la longitud de arco especificada siguiendo una ley tempo-ral propia de un sistema de primer orden. Este comportamiento se ha impuestocon el objeto de simplificar el posterior diseno de la ley de control. El efecto dela muneca pasiva, en conjuncion con la optica al pivotar sobre el fulcro, pro-duce un angulo de altitud o de orientacion, segun el movimiento, inversamente

48


proporcional a la distancia exterior real al fulcro, ρ(t). Esta distancia varıa alo largo del movimiento debido a la desviacion en la planificacion efectuadacon respecto a la trayectoria ideal. Este efecto, en el caso de un movimientode altitud se detallo en la figura 3.2, a partir de la cual se obtuvo el error deinsercion eβ cuya magnitud se especifica en la expresion 3.5. De forma generi-ca, esta expresion aparece en la figura 3.8 como eσ = f(L(t), ρ′, ρ) que seobtiene al sustituir en la ecuacion 3.5 β por L(t) ·σ (donde σ puede referirsetanto a α como a β), y ρ representa la distancia exterior real al principio delmovimiento.

Tal y como muestra el estudio expuesto en la figura 3.4 sobre el errorde insercion, para movimientos de altitud de amplitud inferior a 20 grados,eβ no resulta significativo en comparacion con otros efectos no tomados enconsideracion en el mencionado analisis como la interaccion de los cirujanosdurante la intervencion, que pueden mover de forma fortuita la posicion delpunto de fulcro o ejercer fuerzas sobre la optica.

De esta forma, para disenar la ley de control adaptativa PI se ha con-siderado la distancia ρ constante durante todo el movimiento y se ha utilizadola metodologıa de Ackerman para la asignacion de polos, de acuerdo con unaestrategia dead-beat. De esta manera, las ganancias del controlador PI de lafigura 3.8 adoptan las siguientes expresiones:

KI =ρ

(e−T/τ − 1)ρ′(3.8)

KP =e−T/τ + 11 − e−T/τ

(3.9)

En la expresion obtenida para KI se aprecia que la relacion entre ρ y ρ′

compensa la desviacion que se produce por una estimacion erronea del radio degiro. Para conseguir este objetivo, el valor que se utiliza para ρ es la estimaciongeometrica realizada en lınea, que se explica en el siguiente apartado, mientrasque para ρ′ se utiliza el radio de giro empleado para planificar el movimientoactual.

Cabe destacar que se debe implantar el esquema de control descrito ypresentado en la figura 3.8 para cada una de las variables esfericas a controlar,

49


α y β, de forma que ambos controladores funcionaran de forma concurrentedurante todo el movimiento. De este modo se evitan posibles acoplamientospor perturbaciones fortuitas en desplazamientos puros de orientacion y alti-tud, ya que mientras una variable se controla para seguir una determinadatrayectoria, la otra se regula para mantener su valor actual.

En resumen, el esquema de control propuesto aborda el problema de lacompensacion de los errores de orientacion, altitud y penetracion a traves dedos acciones fundamentales: en primer lugar, mediante el uso de la gananciaKρ, obtenida mediante el estimador geometrico, y basada en un esquema decontrol en bucle abierto; y en segundo lugar incluyendo un compensador PIque realimenta la localizacion actual de la optica. El diseno de este compen-sador se ha simplificado gracias a la introduccion del planificador de trayec-torias, que impone al movimiento del robot una dinamica conocida, sencillay especıfica. Para finalizar, esta redundancia confiere al sistema una mayorinmunidad ante posibles perturbaciones que afecten a la posicion del puntode insercion.

3.4. Estimacion de la distancia exterior ρ

Como se ha comentado, el problema de la distancia al punto de fulcro seconfigura como un factor crucial en el movimiento del instrumental quirurgico.El problema tiene una naturaleza diferente segun sea la estrategia en torno ala que se configure la muneca del robot. Ası en los sistemas basados en centroremoto de rotacion el problema se centra en hacer coincidir dicho centro derotacion con el punto de entrada. Si esto no sucede ası, se pueden ejerceresfuerzos laterales sobre la pared abdominal del paciente.

En los robots basados en articulaciones pasivas, un error en la esti-macion del punto de entrada no se traduce en danos al paciente, puesto quelos esfuerzos son absorbidos por la muneca pasiva. En cambio, sı afecta ala precision de los movimientos realizados con el sistema. Se han propuestovarios metodos para este calculo.

Ası, para el sistema Aesop, se ha propuesto un metodo basado en lainterseccion de dos rectas que representan dos posiciones consecutivas del

50

3.4 Estimacion de la distancia exterior ρ

laparoscopio (Wang y Laby, 1998). Estas dos rectas se proyectan sobre losplanos coordenados ZX y ZY del sistema de referencia asociado al origen dela camara, y se halla la interseccion de ambas rectas en los dos planos. Losdos puntos obtenidos se trasladan al sistema de referencia inicial, y se elige elpunto de pivote como media entre ambas posiciones.

En el sistema Hisar se utiliza un metodo mas directo (Funda et al.,1995). Gracias a los sensores instalados en la muneca pasiva, se conoce entodo momento la posicion del eje de la optica. Tras cada movimiento, se hallala interseccion entre la posicion anterior y la posicion actual de la optica,directamente en el espacio cartesiano tridimensional.

En el sistema de control propuesto, y segun se ha establecido en lafigura 3.8 la mision del estimador geometrico para la obtencion de la distanciaexterior ρ se divide en dos aspectos:

1. Ajustar la ley de control PI para mantener las especificaciones de control

2. Actualizar la estimacion de la distancia exterior ρ, utilizada por el ge-nerador de trayectorias.

A continuacion se detallan los metodos utilizados para su implantacion.En primer lugar se presenta los trabajos previos realizados para un sistemaanterior, Isa (Fernandez Lozano, 2002), y a continuacion se presentan dos en-foques generales relacionados con el sistema de control propuesto. El primerode ellos se basa en mınimos cuadrados recurrentes, en la que la distancia ex-terior ρ se presenta como la ganancia estatica de un sistema lineal de primerorden. El segundo utiliza la informacion generada por los codificadores angu-lares de posicion del robot y las referencias esfericas proporcionadas por la leyde control operacional durante el movimiento. Ambas metodologıas puedenaplicarse en lınea.

3.4.1. Trabajos previos

Este metodo se basa en geometrıa plana. En primer lugar se estableceun sistema de referencia {S} en el efector final, de manera que su origencoincide con el punto de interseccion de los dos ejes pasivos de rotacion. En

51


el sistema Isa, los vectores XS e YS se encuentran sobre los ejes de rotacionpasivos y el vector ZS sobre la recta axial de la optica (vease figura 3.9).Por otro lado, se establece un segundo sistema de referencia {F}, cuyo origeneste situado en el punto de insercion de la optica en el abdomen del paciente.

Figura 3.9.: Sistemas de referencia en la herramienta del sistema Isa.

La figura 3.10 detalla el proceso para la obtencion de la distancia rela-tiva del origen del sistema {S} con respecto al origen del sistema {F}, quedefine el punto de insercion. Para ello, el robot desplaza el sistema {S} des-de una posicion A a otra de destino B siguiendo una trayectoria rectilıneadefinida por la direccion y sentido del vector ~V0. De este modo, en la situacioninicial la distancia entre A y el origen del sistema {F} viene marcada por LA

y en el punto B por LB. Ambas medidas se realizan sobre el eje ZS y re-presentan la porcion de la optica del laparoscopio que se encuentra fuera delcuerpo del enfermo, es decir, la distancia que se pretende estimar.

Se ha denominado d a la distancia euclıdea que separa a los puntos Ay B, αA y αB son la orientacion del eje ZS tomadas en los puntos inicial yfinal respectivamente. Con todo esto, la distancia LA se define a traves de laexpresion:

52


Figura 3.10.: Calculo de la distancia al punto de insercion en el sistema Isa.

LA =∣∣∣∣ d cosαA

sin(αB − αA)

∣∣∣∣ (3.10)

Sin embargo este metodo presenta dos problemas. En primer lugar setrata de un metodo que debe desarrollarse fuera de lınea, con los consiguientesinconvenientes que esto implica para una operacion real. Debe realizarse unaestimacion al principio de la operacion, y ademas no puede variar la posiciondel punto de pivote durante la misma, a menos que se integre en el sistema otroprocedimiento que lo corrija conforme avance la intervencion. Por otro lado,en el denominador de la expresion 3.10 aparece el seno de la diferencia de dosangulos que, en la mayorıa de los casos, seran cercanos, con lo que cualquierruido que pueda aparecer en la lectura de dichos angulos afectara en granmedida a la estimacion. Es decir, se trata de un metodo que debe realizarsefuera de lınea y que es poco robusto ante el ruido.

La precision en la estimacion de la distancia LA se mejora elevandoel numero de movimientos empleados para calcular el punto de insercion ypromediando los resultados obtenidos.

3.4.2. Estimacion por mınimos cuadrados recurrentes

Las tecnicas de identificacion basadas en la regresion de mınimos cuadra-dos son aplicables a sistemas lineales en tiempo discreto, estacionarios o que

53


varıen muy lentamente y con varias entradas o salidas (Martınez Rodrıguez,2004).

Las tecnicas de identificacion se plantean para determinar la funcion detransferencia de cada una de las salidas de un sistema, yi, en funcion de cadauna de sus entradas, uj :

Gij =Yi(z)Uj(z)

=b0 + b1z

−1 + . . .+ bn−n1 + a1z−1 + . . .+ an−n

(3.11)

Esta funcion de transferencia se corresponde con la ecuacion en dife-rencias:

yi(k) = (−a1yi(k − 1)), . . . , −anyi(k − n), b0uj(k), . . . , bnuj(k − n) (3.12)

De esta forma se tiene:

yi(k) = m(k) γ (3.13)

donde m(k) es un conjunto de muestras y γ son los 2n+ 1 parametrosque se pretenden estimar:

m(k) = (−yi(k − 1), . . . , −yi(k − n), uj(k), . . . , uj(k − n)) (3.14)

γ =

a1

. . .

an

b0

. . .

bn

(3.15)

La solucion mediante mınimos cuadrados convencional, queda fijada por

54


la expresion 3.16 (Martınez Rodrıguez, 2004), donde se toma k desde n hastaN . Por tanto, el numero de muestras recogidas es N − n+ 1:

γ(N) =(MT (N)M(N)

)−1MT (N)Y (N) (3.16)

En la que las matrices M(N) y Y (N) se construyen de la siguienteforma:

M(N) =

m(n)

m(n+ 1). . .

m(N)

; Y (N) =

yi(n)

yi(n+ 1). . .

yi(N)

(3.17)

Si se dispone de γ(N) y se pretende conocer γ(N + 1) utilizando unaobservacion mas, se utiliza una metodo recurrente que corrija γ(N) en funcionde la nueva medida, en lugar de tener que resolver nuevamente el problema.Esta nueva estimacion se efectua por medio de la expresion:

γ(N + 1) = γ(N) +KN (yi(N + 1) −m(N + 1) γ(N)) , (3.18)

donde:

KN = PN mT (N + 1)(I +m(N + 1)PN mT (N + 1)

)−1, (3.19)

y PN es una variable que hay que actualizar una vez realizada la ite-racion:

PN+1 = (I −KN m(N + 1))PN (3.20)

En el caso de la estimacion de la posicion del punto de fulcro, el sistema

55


considerado tiene como entrada la longitud total recorrida en el instante k,L(k), y como salida, el angulo girado en dicho instante, θ(k). Ambas magni-tudes estan relacionados a traves de la siguiente expresion:

θ(k) = L(k)γ =

{L(k)/(ρ sinβ) , Para movimientos de orientacion (α);L(k)/ρ , Para movimientos de altitud (β).

(3.21)donde γ representa el parametro a estimar.

El algoritmo de estimacion presenta los siguientes pasos:

1. Iniciar el metodo aplicando las ecuaciones:

γ(N) = 0 (3.22)

yPN = ψ , (3.23)

donde ψ deber ser un numero suficientemente grande.

2. Calcular la variable KN segun:

KN =L(k)PN

1 + L2(k)PN(3.24)

3. Obtener la nueva estimacion de γ:

γ(N + 1) = γ(N) + (θ − L(k)γ(N))KN (3.25)

4. Por ultimo, se actualiza P utilizando la nueva medida de longitud re-corrida:

PN+1 =PN

1 + L2(k)PN, (3.26)

y se vuelve al paso 2.

El presente metodo se puede aplicar en lınea debido a que emplea me-didas de las entradas y salidas obtenidas durante el funcionamiento normaldel sistema. Sin embargo, la estimacion obtenida no resulta completamente

56


exacta debido a varios problemas. En primer lugar, toda medida de un sis-tema real tiene una cierta cantidad de ruido que produce una distorsion en elresultado. Por otro lado, no es posible calcular de forma exacta la distanciarecorrida por la camara, sino solo una aproximacion (se ha obtenido como unasucesion de segmentos rectilıneos). Por ultimo, para aplicar el metodo se hasupuesto un sistema lineal, lo cual no es completamente correcto debido a queel movimiento circular se genera alrededor de un punto de pivote estimado yno alrededor del real.

3.4.3. Calculo por metodo geometrico

El metodo propuesto a continuacion utiliza la informacion generada porlos codificadores angulares de posicion del robot y las referencias esfericas, αy β, proporcionadas por la ley de control cartesiano, propuesto en el apartado3.3, durante el transcurso del movimiento. Por lo tanto, al igual que el metodode mınimos cuadrados recursivos, puede aplicarse en lınea.

La figura 3.11 muestra la compensacion del angulo de altitud conseguidaa traves de la estrategia de control propuesta. El movimiento de la camaracomienza en el punto A, y se calcula la posicion objetivo de la camara, B,para alcanzar el angulo de altitud deseado β. Sin embargo, este calculo eserroneo, ya que se ha realizado utilizando una posicion del punto de fulcroestimada F ′, en lugar de utilizar su valor real F. En estas circunstancias, elcontrolador calcula un angulo requerido ∆β que se utiliza para obtener unanueva posicion de la camara, C, donde finalmente se alcanza el angulo dealtitud deseado β.

En esta misma figura se puede apreciar que cuando la camara alcanzala posicion final C, se cumple la siguiente expresion:

ρ′ sin(β + ∆β) = ρ sinβ (3.27)

De esta manera se dispone de una estimacion geometrica de la distan-cia exterior real como funcion del angulo de altitud deseado β y el angulorequerido para alcanzarlo ∆β:

57


F

’

C

B

ZF

XF

F’

A

Figura 3.11.: Compensacion del angulo de altitud.

ρ = ρ′(

cos ∆β +sin ∆βsinβ

cosβ)

(3.28)

En el caso de un movimiento de orientacion, la ecuacion empleada enel calculo de la distancia exterior adquiere la misma forma que la obtenidapara un movimiento en β, la cual se puede aplicar sin mas que sustituir β porα y ∆β por ∆α.

Este metodo resulta mas exacto que el de mınimos cuadrados ya que ensu planteamiento considera de forma explıcita la imprecision de planificacionque se produce consecuencia del error de estimacion de ρ. Sin embargo, y aligual que ocurre con el metodo de mınimos cuadrados, no se puede aplicarhasta trascurridos varios segundos despues de iniciar el movimiento (con obje-to de que α o β, segun sea el movimiento, no esten proximos a cero). Debido aeste hecho, ambos metodos solo proporcionan un nuevo valor de la estimacional controlador operacional y al generador de trayectorias cuando dicha mag-

58

3.5 Ajuste de los parametros del generador de trayectorias

nitud alcanza un valor estable.

Otro inconveniente que presenta este metodo es que no utiliza los datosy los resultados obtenidos con anterioridad (no es un metodo recursivo) ypor tanto es mas susceptible a ruidos que pudieran aparecer, ası como a laprecision que tengan los sensores de posicion del robot.

3.5. Ajuste de los parametros del generador de

trayectorias

Como se ha mencionado en el apartado 3.3, la eleccion de la constantede tiempo τ del generador de trayectorias (vease expresion 3.7) se define comoun factor crıtico a la hora de considerar la saturacion de los actuadores. Deeste modo, se requiere el calculo de una velocidad cartesiana maxima que nosupere el lımite de velocidad articular que pueden desarrollar los motores.

Para ello es interesante representar de alguna forma la capacidad queposee un manipulador para cambiar la posicion y la orientacion de su efectorfinal. Con tal objeto se introduce la llamada elipsoide de manipulabilidad develocidades (Sciavicco y Siciliano, 2000).

Considerese el conjunto de velocidades articulares con norma unidad:

qT q = 1 (3.29)

Esta ecuacion describe los puntos de la superficie de una esfera de radiounidad en el espacio de las velocidades articulares. A partir de dicha ecuacion,es posible calcular las velocidades en el espacio operacional que se generan poreste conjunto de velocidades, para una determinada posicion del manipulador.Con este proposito se puede utilizar la ecuacion:

v = J(q)q (3.30)

resuelta para las velocidades articulares, en el caso general de un ma-nipulador redundante en una configuracion no singular. Si se sustituye en la

59


ecuacion 3.29, se obtiene:

vT(J†T

J†(q))v = 1 (3.31)

Y como:

J† = JT(JJT

)−1(3.32)

finalmente se consigue la expresion:

vT(J(q)JT (q)

)−1v = 1 (3.33)

que es la ecuacion de los puntos de la superficie de un elipsoide en elespacio de velocidades del efector final (Yoshikawa, 1985). De esta forma, losmovimientos del efector final a lo largo del eje mayor del elipsoide, se podranrealizar a gran velocidad, mientras que a lo largo del eje menor, dichas ve-locidades seran menores. Y ademas, cuanto mas se aproxime el elipsoide auna esfera, mas podra el efector final moverse de forma isotropica en todaslas direcciones del espacio operacional. Ası, se entiende que el elipsoide demanipulabilidad puede constituir un ındice que caracteriza la capacidad demanipulacion de una estructura en terminos de velocidades. Los elipsoidesde manipulabilidad pueden utilizarse tambien para determinar la compati-bilidad del manipulador para ejecutar una tarea asignada a lo largo de unadeterminada direccion.

A partir de la forma cuadratica de la expresion 3.32, se pueden determi-nar facilmente la forma y la orientacion de la elipsoide (Sciavicco y Siciliano,2000): las direcciones de los ejes principales del elipsoide vienen dados por losautovectores ui, para i = 1, . . . , r, de JJT , mientras que la dimension de losejes se determinan a traves de los valores singulares de J , µi =

√λi (JJT ),

para i = 1, . . . , r, donde λi(JJT ) denota los autovalores de JJT .

Se puede obtener un factor de transformacion ψ de velocidad articular‖q‖ a velocidad cartesiana ‖v‖ en una direccion determinada, y para unaposicion concreta, q, del manipulador, a partir de la expresion:

60

3.5 Ajuste de los parametros del generador de trayectorias

ψ(q) =‖v‖‖q‖

=1(

uT (J(q)JT (q))−1 u) (3.34)

donde u es un vector unitario que define la direccion instantanea delproximo movimiento de la trayectoria a ejecutar.

Desde el punto de vista geometrico, este factor representa la distanciadesde el centro del elipsoide hasta el punto donde una recta con direccion ucorta al mismo.

La figura 3.12 representa el caso bidimensional del problema propuesto,en el que se han representado los semiejes del elipsoide, a y b, el vector unitariou antes mencionado y el factor de transformacion ψ asociado.

Figura 3.12.: Caso bidimensional del elipsoide de manipulabilidad.

A partir de la expresion 3.35 se obtiene la velocidad cartesiana lımite(vmax) que desarrolla el efector final, cuando los actuadores alcanzan su ve-locidad maxima (qmax):

‖vmax‖ = ψ‖qmax‖ (3.35)

Para calcular la velocidad cartesiana maxima de una trayectoria debetenerse en consideracion que cada punto de la misma tiene asociado un factorde transformacion, ψ, diferente. Para que no se saturen los actuadores seelige el caso mas desfavorable, definido como el mınimo de los factores detransformacion asociados a cada punto de la trayectoria. Esto se debe a que

61


el lımite superior de velocidad cartesiana para dicha trayectoria correspondea la mınima amplificacion de velocidades articulares a cartesianas. Para ellose requiere conocer de antemano la trayectoria que realizara el efector final.

El esquema de control de movimientos cartesianos propuesto en el apar-tado 3.3 planifica la trayectoria del efector final en lınea, en funcion de la rea-limentacion sensorial de la muneca pasiva, es decir, no existe una trayectoriaplanificada. Por tanto, para cubrir todas las trayectorias posibles, se requiereun estudio del espacio de trabajo de la tarea.

Por cada punto del espacio de la tarea existen infinitas posibilidadespara realizar el proximo movimiento. Con el objeto de simplificar esta cuestion,se considera asociada a cada postura del manipulador una esfera en lugar delelipsoide definido en la expresion 3.33. De esta manera se tiene un unico factorde transformacion por cada coordenada cartesiana. Esta esfera se construyecon un radio igual al semieje menor del elipsoide.

La metodologıa para el estudio propuesto consiste en hacer discreto elespacio de la tarea y trasladarlo al ambito articular. Con la simplificacionconsiderada, a cada configuracion del manipulador le corresponde un unicofactor de transformacion, ψ. El mınimo de todos ellos, ψmin , correspondeal peor de los casos de amplificacion articular-cartesiana. De esta forma, yteniendo en cuenta la expresion 3.35 para el calculo de vmax , la constante detiempo τ se calcula de la siguiente manera:

τ =l

‖vmax‖(3.36)

donde l es la longitud del arco recorrido.

3.6. Conclusiones

Este capıtulo ha propuesto una metodologıa para el control cartesianode los movimientos de un robot asistente dedicado al movimiento de la camaraen cirugıa laparoscopica.

La muneca de los robots posicionadores emulan los movimientos que un

62

3.6 Conclusiones

cirujano realizarıa si tuviera que mover la camara el mismo. Estos desplaza-mientos se encuentran contenidos en la superficie de una esfera centrada enel punto de insercion de la optica, por los que dichos posicionadores estandotados de munecas esfericas, ya sean actuadas o pasivas.

En cualquier caso, para poder realizar este tipo de movimientos es pre-ciso conocer la posicion del punto de entrada de la camara en el abdomendel paciente. En posicionadores con munecas actuadas, la incertidumbre enla posicion de este punto producirıa fuerzas no deseadas en el abdomen delpaciente. Para evitar este problema, estos sistemas requieren de una cali-bracion previa a la utilizacion del sistema que asegure la posicion relativaentre el sistema y el punto de insercion. Por contra, en un sistema basado enmunecas pasivas, esta incertidumbre tan solo afectarıa a un posicionamientoinadecuado de la camara, pero no se producirıan fuerzas no deseadas sobre elabdomen del paciente, ya que esta configuracion permite la acomodacion deldispositivo al punto de entrada.

Este capıtulo se centra en los posicionadores con muneca pasiva, y paraello realiza un estudio de los errores de orientacion y altitud que se producencuando existe incertidumbre en la posicion de insercion. De este analisis delos errores se concluye que se puede realizar un control desacoplado para laorientacion y para la altitud.

De esta forma, se propone un generador en lınea de trayectorias carte-sianas que compensa los errores de orientacion y altitud que se cometen porla incertidumbre existente en la posicion del punto de fulcro. Para ello se re-quiere una estimacion del mencionado punto. En este sentido se aportan dosmetodologıas, una basada en mınimos cuadrados recurrentes y otra con unenfoque geometrico.

Asimismo, es necesario ajustar los parametros del generador de trayec-torias de manera que se asegure que no se saturan los actuadores del brazorobotico, ya que de otro modo, el movimiento de la camara no seguirıa lasconsignas generadas por el controlador. Este ajuste se realiza mediante un es-tudio basado en el concepto de manipulabilidad. Se propone un metodo parael calculo de un factor lımite de transformacion de velocidades articulares acartesianas, con el que se obtiene la velocidad cartesiana maxima que se puedeimponer al generador de trayectorias.

63


64

4. Analisis de Riesgos

4.1. Introduccion

La seguridad, que es un requerimiento importante en cualquier sistema,pasa a ser totalmente prioritaria en aplicaciones medicas. La arquitectura deun sistema de este tipo, por tanto, debe contener un tratamiento adecuadode este punto integrado en la estructura de funcionamiento del sistema, demanera que quede garantizada la seguridad en todos sus aspectos.

Segun el diccionario de la Lengua Espanola, se entiende seguridad comola cualidad de estar libre y exento de todo peligro, dano y riesgo. Cuandoeste concepto se introduce en el ambito de los sistemas medicos, se orientaprincipalmente, aunque no de forma exclusiva, a evitar producir danos sobreel paciente. Para ello es necesario que el sistema se comporte de una formaesperada, incluso en circunstancias adversas.

Por otro lado, en un contexto de seguridad, habitualmente se define ries-go como una funcion de la frecuencia de ocurrencia de un evento no deseadoy la severidad potencial de las consecuencias resultantes. En otras palabras,el riesgo es la combinacion de dos factores: la probabilidad de un mal fun-cionamiento (fallo) y las consecuencias de este mal funcionamiento (severidad)(Jacoub y Ammar, 2002).

Una de las formas de asegurar que un sistema robotico va a operar dela forma prevista, incluso cuando alguno de sus elementos falla, consiste enllevar a cabo un analisis de riesgos. Dicho analisis de riesgos se configura comouna metodologıa estructurada para la evaluacion de problemas potencialesque puedan encontrarse en relacion al uso de una gran cantidad de sistemas,como por ejemplo, en el uso de un dispositivo medico.

De esta forma, mediante la identificacion y evaluacion de los riesgos que

65

4 Analisis de Riesgos

pueden producirse de acuerdo con los fallos detectados, se pueden planificarlos controles adecuados que o bien disminuyan la probabilidad del efecto in-deseado sobre el sistema, o bien consiga reducir el peligro de las consecuenciasque conlleva. Este proceso es mas sencillo si desde la concepcion del sistema,en el diseno, se toman medidas adecuadas para que el robot sea consideradocomo seguro, como el uso de redundancia en los sensores o el empleo de unaestrategia de control supervisor que sea tolerante a fallos.

De acuerdo con las normas genericas mas recientes aplicables a dispo-sitivos electromedicos (ISO 14971, ISO/IEC Guide 51) el termino gestion deriesgos incluye los siguientes procesos:

Analisis de riesgos: definicion del sistema, identificacion de peligros yestimacion de riesgos.

Evaluacion de riesgos: procedimiento basado en el analisis de riesgospara determinar si se ha alcanzado un nivel de riesgos aceptable.

Control de riesgos: procedimiento basado en los dos anteriores en el quese aplican medidas de proteccion para reducir los riesgos.

Sin embargo, en la normativa previa (EN 1441) se utilizaba el termi-no generico analisis de riesgos para englobar los tres procesos mencionados.Puesto que en la elaboracion de esta tesis se ha utilizado esta ultima norma-tiva, de aquı en adelante se va a adoptar este termino para incluir todo losprocedimientos que implica la gestion de riesgos.

De esta manera, este capıtulo presenta en primer lugar algunos aspectosgenerales de seguridad en robots medicos, y se introducen ciertos factores quehacen que un robot sea intrınsecamente seguro. A continuacion, se describenlos metodos de analisis de riesgos mas utilizados en la industria. Al final delcapıtulo se propone una metodologıa basada en la normativa que rige losaparatos electromedicos para poder aplicar un analisis de riesgos en un robotquirurgico. Dicha metodologıa se ha llevado a la practica en sistema roboticoErm, propuesto en esta tesis, tal y como se describe en el capıtulo 5.

66

4.2 Seguridad en robots medicos

4.2. Seguridad en robots medicos

Los robots medicos son sistemas que requieren un especial tratamien-to de los aspectos relacionados con la seguridad. En entornos industriales seevita cualquier situacion de peligro mediante la proteccion del area de tra-bajo del robot e impidiendo el acceso de cualquier operador humano exceptobajo condiciones especıficas. No obstante, en robotica medica siempre existeuna persona cooperando (cirujano) o interactuando (paciente) con el robot(Davies, 1996). En otras palabras, la principal caracterıstica que diferenciaun entorno industrial de un entorno medico es que este ultimo se encuentraen contacto continuo con el paciente y con el equipo medico, y por lo tanto,cualquier fallo puede ser crıtico.

De esta forma, un requisito fundamental que debe imponerse a cualquierrobot quirurgico es que debe ser seguro. Resulta importante resaltar que elconcepto de seguridad en este tipo de sistema implica tres vertientes diferen-ciadas: seguridad del paciente, seguridad del personal quirurgico y seguridaddel propio sistema.

La mayorıa de los primeros robots utilizados en cirugıa fueron manipu-ladores industriales modificados para aumentar su seguridad. Sin embargo,los nuevos robots se disenan especıficamente para funcionar de forma seguradentro de un quirofano. Los sistemas disenados para aplicaciones medicas sepueden clasificar en tres tipos dependiendo de su nivel de autonomıa. Estaclasificacion tambien puede ser valida desde un punto de vista de seguridad,ya que los sistemas sin motores son intrınsecamente mas seguros que los ac-tuados, aunque sus posibilidades sean menores (Duchemin et al., 2004). Deesta forma, podemos encontrar tres tipos de sistemas:

1. Sistemas pasivos. No poseen actuadores, y proporcionan al cirujano in-formacion adicional antes y/o durante el procedimiento.

2. Sistemas semiactivos. Sus actuadores no se encargan de mover el robotdirectamente, sino que ayudan al cirujano a posicionar de forma precisay a manejar las herramientas. En las fases crıticas se desconecta laalimentacion de los actuadores.

3. Sistemas activos. Incorporan actuadores que realizan tareas planificadas

67


de forma autonoma o de forma teleoperada.

En cualquier caso, es necesario establecer medidas de seguridad desdela concepcion de un robot quirurgico de manera que el riesgo para quieneste en contacto con el sistema o para el propio sistema este por debajode ciertos margenes establecidos. Dichas medidas se pueden aplicar a dosniveles diferenciados: electromecanico, y electronico y de programacion. Acontinuacion se describen algunos de los elementos de seguridad mas utilizadosen estos niveles.

Seguridad a nivel electromecanico

En cuanto al diseno mecanico de un sistema robotico quirurgico, esimportante que todos los cables, ademas de estar apantallados, se encuen-tren integrados dentro de la estructura, para evitar que puedan cortarse odeteriorarse.

Es bastante usual limitar mecanicamente las articulaciones para queno salga fuera del espacio de trabajo de la tarea y que el robot no colisioneconsigo mismo. La potencia de los actuadores tambien debe limitarse, demanera que no se ejerzan fuerzas mayores de las necesarias. De igual formahay que proceder con la velocidad del robot, estableciendo un maximo a travesde engranajes de alta reduccion.

Para el caso de un corte en la alimentacion o una parada de emergencia,las articulaciones susceptibles de caer por gravedad deben estar provistas defrenos para que queden ancladas. De esta forma se evitan posibles lesionessobre los usuarios ademas de ser importante desde el punto de vista de laintegridad del sistema.

La redundancia de sensores en las articulaciones confiere robustez alsistema robotico ante un fallo de estos elementos, ademas de aumentar la in-formacion disponible y con ello mejorar el control, ya que el seguimiento detrayectorias se puede realizar de forma mas precisa. Un ejemplo consiste enutilizar sensores relativos en combinacion con otros absolutos o con poten-ciometros. De esta forma, se puede disponer un sensor relativo acoplado aleje del motor antes de la reductora para un ajuste fino y el sensor absoluto

68

4.2 Seguridad en robots medicos

o potenciometro en la articulacion, tras la reductora, para la localizacion deforma absoluta.

Un elemento interesante a este nivel es lo que se conoce como dead manswitch (DMS ). Lo que se pretende con un dispositivo de este tipo es que elusuario ejecute una accion (como puede ser accionar un pedal o pulsar unboton) para permitir el movimiento del brazo robotico. En el momento enque este dispositivo deja de accionarse, el robot detiene su movimiento.

Otro elemento de seguridad, presente en todos los sistemas roboticoslo constituye el boton de emergencia, que debe ser accesible desde una posi-cion comoda. En el momento en que este pulsador es accionado, se corta laalimentacion de los motores.

Seguridad a nivel electronico y de programacion

La incorporacion de un dispositivo watchdog permite controlar el co-rrecto funcionamiento de la actividad software. El sistema software envıauna senal binaria a dicho dispositivo a una frecuencia determinada. Si es-ta senal deja de recibirse, es consecuencia de algun problema y se bloquea laalimentacion del sistema.

Se han realizado muchos estudios en cuanto a los metodos para con-seguir fiabilidad en el software de control, y por tanto hay muchas propues-tas. Por ejemplo, se puede disenar el controlador con procesos concurrentes,para que sea mas sencilla su validacion, y la deteccion de que un proceso noesta funcionando correctamente en un momento dado. Otra propuesta intere-sante es utilizar distintos controladores de manera que cada uno de ellos sededique a funciones diferentes.

En este sentido, una medida muy extendida consiste en introducir unsistema de monitorizacion del control o un supervisor, que conozca en cadamomento el estado de todos los procesos y que en caso de producirse algunproblema sea capaz de situar al sistema en modo de fallo y actuar en funcionde la gravedad del mismo. Este sistema supervisor puede implantarse en elmismo hardware o en otro distinto.

En general, tanto a nivel electromecanico como electronico, se suele

69


incorporar redundancia de componentes, ya sea en modo serie o en parale-lo. Dispositivos como tarjetas watchdog o componentes de entrada y salidase implantan en paralelo, mientras que reles y pulsadores de emergencia seinstalan en serie.

4.3. Analisis de riesgos

Un analisis de riesgos normalmente comienza con un estudio del sistemacon el proposito de identificar los peligros potenciales que puede generar elobjeto del analisis de riesgos o a los cuales puede estar expuesto. Este procesoproporciona un conocimiento completo del sistema, de sus debilidades y de lasdefensas ante las mismas que se han incluido en el diseno. Es necesario en estemomento del analisis evaluar el riesgo global del sistema, lo cual puede hacersede forma cuantitativa o cualitativa, dependiendo de los datos disponibles yde los requisitos del sistema. De esta manera, se obtiene una medida de lafrecuencia de ocurrencia de los posibles peligros y la probabilidad de fallo delos mecanismos de seguridad disenados dando como resultado consecuenciasnocivas. La severidad de las consecuencias resultantes debe analizarse paraobtener un patron anticipado de eventos potenciales.

Los metodos de analisis de riesgos normalmente siguen un procedimien-to logico de deduccion de fallos, errores, desviaciones en equipos, instalaciones,procesos, operaciones, etc. que trae como consecuencia la obtencion de deter-minadas soluciones para este tipo de eventos. Existen numerosos metodos,pero los mas importantes son:

Analisis What if . . . ?.

Analisis funcional de operabilidad.

Analisis por arbol de sucesos.

Analisis por arbol de fallos.

Analisis de modos de fallos y efectos.

Aunque cada uno de estos metodos tiene su forma particular de pro-ceder, todos tienen una base comun: comienzan con un estudio de las carac-

70

4.3 Analisis de riesgos

terısticas del sistema para poder identificar los posibles peligros que pudieranacontecer. Si el riesgo que implican estos peligros no es aceptable, se intro-ducen unas medidas correctoras, y se vuelve a comenzar el procedimiento,hasta que no se detecten nuevos riesgos. En la figura 4.1 se muestra un dia-grama de flujo del procedimiento de analisis de riesgos, valido para cualquierade estos metodos.

La descripcion de los metodos mencionados aparecen descritos en nu-merosas fuentes, como por ejemplo en las Notas Tecnicas de Prevencion delMinisterio de Trabajo y Asuntos Sociales (NTP 238, NTP 328, NTP 333 yNTP 679), en las normas europeas (UNE 21925/1994, UNE 20812/1995) o enlas guıas tecnicas para el analisis y la comunicacion de riesgos que proporcionael Centro Nacional de Informacion y Documentacion de la subsecretarıa deDireccion general de proteccion civil y emergencias. A partir de todas estasfuentes se ha obtenido la metodologıa a seguir que aparece expuesta en lossiguientes subapartados.

4.3.1. Analisis What if . . . ?

El metodo de analisis de riesgos What if . . . ? consiste en el planteamien-to de las posibles desviaciones en el diseno, construccion, modificaciones yfuncionamiento de un determinado sistema, utilizando la pregunta que daorigen al nombre del procedimiento: ¿Que pasarıa si . . . ?.

Para poder llevarlo a cabo se requiere un conocimiento basico del sis-tema y cierta disposicion mental para combinar o sintetizar las desviacionesposibles, por lo que normalmente es necesaria la presencia de personal conamplia experiencia en el sistema.

El equipo de trabajo, por tanto, lo forman dos o tres personas especia-listas en el area a analizar con documentacion detallada de la planta, proceso,equipos, procedimientos, seguridad, etc.

Este metodo se puede aplicar a cualquier sistema o proceso: instru-mentacion de un equipo, seguridad electrica, proteccion contra incendios, al-macenamiento, sustancias peligrosas, etc. Las preguntas se formulan y aplicantanto a dispositivos como a plantas en funcionamiento, siendo muy comunante cambios en instalaciones ya existentes.

71


Figura 4.1.: Diagrama de flujo del procedimiento de analisis de riesgos.

72


Las etapas fundamentales de un analisis What If. . . ? son:

1. Definicion del alcance del estudio. Existen dos alcances basicos en unanalisis What If . . . ? : las condiciones fısicas del sistema investigado, in-cluyendo posibles interacciones entre diferentes partes de la instalacion,y la categorıa de las consecuencias del mismo, dependiendo de a quienafecten dichas consecuencias.

2. Recogida de la informacion necesaria. Es necesario que toda la informa-cion requerida se encuentre disponible al inicio del trabajo para poderdesarrollarlo sin interrupciones

3. Definicion de los equipos. Para cada area especıfica deben definirseequipos que deben poseer experiencia en las consecuencias a analizar,conocimientos de la planta o el proceso y experiencia en tecnicas deevaluacion de riesgos.

4. Desarrollo de las cuestiones. Se formulan las preguntas desde el iniciodel proceso, se responden las mismas y, eventualmente, se anaden otrasnuevas. Paralelamente se identifican los peligros, las posibles consecuen-cias y las soluciones.

5. Informe de resultados. Como resultado se obtiene un listado en forma detabla de los posibles accidentes que se pueden producir, sus consecuen-cias y las posibles acciones de control para la reduccion o eliminaciondel riesgo (vease tabla 4.1).

Tabla 4.1.: Analisis What if . . . ?.¿Que pasarıa si . . . ? Consecuencias Recomendaciones

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

4.3.2. Analisis funcional de operabilidad

El Analisis funcional de operabilidad (HAZOP : Hazard and operability)surgio en 1963 en la companıa Imperial Chemical Industries, ICI. Posterior-mente, se generalizo y formalizo, y actualmente es una de las herramientas

73


mas utilizadas internacionalmente en la identificacion de riesgos en instala-ciones industriales.

Se trata de una tecnica de identificacion de riesgos inductiva basada enla premisa de que los riesgos, los accidentes o los problemas de operabilidad,se producen como consecuencia de una desviacion de las variables de procesocon respecto a los parametros normales de operacion en un sistema dado yen una etapa determinada. Por tanto, ya se aplique en la etapa de diseno,como en la etapa de operacion, la sistematica consiste en evaluar, en todaslas lıneas y en todos los sistemas, las consecuencias de posibles desviacionesen todas las unidades de proceso, tanto si es continuo como discontinuo. Latecnica consiste en analizar sistematicamente las causas y las consecuenciasde unas desviaciones de las variables de proceso, planteadas a traves de unaspalabras guıa.

La realizacion de un analisis HAZOP consta de las siguientes etapas:

1. Definicion del area de estudio.

2. Definicion de los nudos.

3. Aplicacion de las palabras guıas.

4. Definicion de las desviaciones a estudiar.

5. Sesiones HAZOP.

A continuacion se detallan cada una de las fases enumeradas.

1. Definicion del area de estudio

Consiste en delimitar las areas a las cuales se aplica la tecnica. En unadeterminada instalacion se definiran, para mayor comodidad, una serie desubsistemas que correspondan a entidades funcionales propias.

2. Definicion de los nudos

En cada uno de estos subsistemas se deberan identificar una serie denudos o puntos claramente localizados de la instalacion, como por ejemplo

74


tuberıas, equipos, depositos de almacenamiento, servicios auxiliares, etc.

Cada nudo debera ser identificado y numerado correlativamente dentrode cada subsistema para mejor comprension y comodidad. La tecnica HAZOPse aplica a cada uno de estos puntos. Cada nudo vendra caracterizado porvariables de proceso: presion, temperatura, intensidad, caudal, composicion,viscosidad, etc.

La facilidad de utilizacion de esta tecnica requiere reflejar en esquemassimplificados de diagramas de flujo todos los subsistemas considerados y suposicion exacta.

3. Aplicacion de las palabras guıa

Las palabras guıa se definen como claves que indican alguna modifi-cacion en las variables de proceso correspondientes a cada uno de los nudosestudiados. De esta forma, se deben aplicar, de forma sistematica, a cadauna de las partes o nudos en que se divide la instalacion, y estan asociadasa las variables que intervienen en el proceso: caudal, presion, temperatura,etc., tratando de averiguar la posibilidad de que una causa particular lleve aun mal funcionamiento de la instalacion o incluso de lugar a una situacionpeligrosa.

Estas palabras guıa que caracterizan el metodo, son utilizadas cualifi-cando o cuantificando a todas y cada una de las variables con el objetivode estimular la reflexion sobre la diversidad de situaciones en que puede en-contrarse la instalacion, algunas de las cuales son inverosımiles y dejaran deser consideradas. En las dos primeras columnas de la tabla 4.2 se muestranalgunas palabras guıa y sus significados.

4. Definicion de las desviaciones a estudiar

Para cada nudo se plantean, de forma sistematica, todas las desviacionesque implican la aplicacion de cada palabra guıa a una determinada variableo actividad. Para realizar un analisis exhaustivo, se deben aplicar todas lascombinaciones posibles entre palabra guıa y variable de proceso, descartandoselas desviaciones que no tengan sentido para un nudo determinado.

75


Paralelamente a las desviaciones se deben indicar las causas posibles deestas desviaciones y posteriormente las consecuencias de las mismas.

En la tabla 4.2 se presentan algunos ejemplos de aplicacion de palabrasguıa presentadas anteriormente, las desviaciones que originan (en la terceracolumna) y sus causas posibles (ultima columna).

Tabla 4.2.: Palabras guıas utilizadas en el metodo HAZOP.PalabraGuıa

Significado Ejemplo dedesviacion

Ejemplo de causasoriginadoras

NO Ausencia de la variablea la cual se aplica.

No hay flujoen una lınea.

Bloqueo; fallo decontrol.

MAS Aumento cuantitativode una variable.

Mas flujo. Controlador satura-do; Lectura erroneade instrumentos.

MENOS Disminucion cuantitati-va de una variable.

Menos flujo. Bloqueo parcial; fal-ta de carga; bloqueode valvulas.

INVERSO Analiza la inversion enel sentido de la varia-ble. Se obtiene el efectocontrario al que se pre-tende.

Flujo inverso. Inversion de bombeo;valvula antirretornoque falla.

ADEMASDE

Aumento cualitativo. Seobtiene algo mas que lasintenciones del diseno.

Impurezas ouna fase ex-traordinaria.

Fallo de aislamiento;fallos de la puesta enmarcha.

PARTEDE

Disminucion cualitati-va. Parte de lo quedeberıa ocurrir sucedesegun lo previsto.

Disminucionde la com-posicion enuna mezcla.

Reacciones adi-cionales; cambio enla alimentacion.

5. Sesiones HAZOP

Las sesiones HAZOP tienen como objetivo la realizacion sistematicadel proceso descrito anteriormente, analizando las desviaciones en todas laslıneas o nudos seleccionados a partir de las palabras guıa aplicadas a deter-minadas variables o procesos. Se determinan las posibles causas, las posiblesconsecuencias, las respuestas que se proponen, ası como las acciones a tomar.

Toda esta informacion se presenta en forma de tabla que sistematiza la

76


entrada de datos y el analisis posterior. En la tabla 4.3 se muestra el formatode recogida del HAZOP aplicado a un proceso continuo. Como se ha comen-tado anteriormente, la tabla 4.2 muestra ejemplos de como se completarıanla segunda, tercera y cuarta columna de la mencionada tabla, y en la tabla4.4 aclara el significado del resto de las columnas.

Tabla 4.3.: Formato de recogida de datos del metodo HAZOP.Planta:Sistema:Nudo Palabra

guıaDesviacionde lavariable

Posiblescausas

Consecuencias Respuesta Accionesa tomar

Comentario

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tabla 4.4.: Significado de las columnas de la tabla 4.3.Columna ContenidoConsecuencias Para cada una de las causas planteadas, se indican las con-

secuencias asociadas.Respuesta delsistema

Se indicara en este caso: 1. Los mecanismos de deteccionde la desviacion planteada segun causas o consecuencias.2. Los automatismos capaces de responder a la desviacionplanteada segun las causas.

Acciones atomar

Propuesta preliminar de modificaciones a la instalacion envista de la gravedad de la consecuencia identificada o a unadesproteccion flagrante de la instalacion.

Comentarios Observaciones que complementan o apoyan algunos de loselementos reflejados en las columnas anteriores.

En el caso de procesos discontinuos, el metodo HAZOP sufre algunamodificacion, tanto en su analisis como en la presentacion de los datos finales.

4.3.3. Analisis por arbol de sucesos

Existen diversas tecnicas para el desarrollo de estudios de seguridad queaplican sistemas de arboles para considerar las cadenas de acontecimientosque llegan finalmente a materializarse en fallos o accidentes. Es importantesu distincion ya que sus finalidades y aplicaciones son bien diferentes.

Una de estas tecnicas es la que se conoce como analisis mediante arbolde sucesos (ETA: Event Tree Analysis). Se trata de una tecnica deductiva

77


que desarrolla un diagrama grafico secuencial a partir de sucesos iniciadoreso desencadenantes de incidencia significativa y, por supuesto indeseados, paraaveriguar todo lo que puede acontecer y, en especial, comprobar si las medidaspreventivas existentes o previstas son suficientes para limitar o minimizar losefectos negativos.

El proceso de desarrollo general de los arboles de sucesos consta de lossiguientes pasos:

1. Etapa previa, familiarizacion con el sistema.

2. Identificacion de sucesos iniciales de interes.

3. Definicion de las circunstancias adversas y funciones de seguridad pre-vistas para el control de sucesos.

4. Construccion de los arboles de sucesos con inclusion de todas las posiblesrespuestas del sistema.

5. Clasificacion de las respuestas indeseadas en categorıas de similares con-secuencias.

6. Estimacion de la probabilidad de cada secuencia del arbol de sucesos.

7. Cuantificacion de las respuestas indeseadas.

8. Verificacion de todas las respuestas del sistema.

Cada una de estas etapas se describe a continuacion.

1. Etapa previa, familiarizacion con el sistema

Es imprescindible, en este metodo y en cualquier otro, hacer un anali-sis preliminar que permita conocer y controlar la diversidad de situacionesanomalas que puedan acontecer a un sistema, ya sea tanto por factores inter-nos como externos a la misma.

78


2. Identificacion de sucesos iniciales de interes

Tras los analisis preliminares, es necesario elaborar una lista de sucesosiniciadores lo mas completa posible de acuerdo al alcance del analisis. Estossucesos iniciadores corresponden a fallos que, de producirse, requieren la res-puesta de lo que se denominan sistemas frontales de seguridad, para evitarefectos negativos de importancia.

Es muy importante distinguir los sucesos iniciadores propiamente di-chos, de los sucesos que son consecuencia de los primeros, sobre todo en estaetapa, en la que sera imprescindible efectuar tambien, por necesidad de sim-plificacion, un agrupamiento de sucesos iniciadores de acuerdo a las funcionesde seguridad que deben realizarse.

3. Definicion de las circunstancias adversas y de las funciones de

seguridad para el control de sucesos

Se entiende por funcion de seguridad una respuesta activa de previsiono dispositivo capaz de interrumpir la secuencia de un suceso inicial a unaconsecuencia peligrosa. Hay que considerar tambien aquellas circunstanciasque puedan tener un papel adverso en el desarrollo secuencial de sucesos.

4. Construccion de los arboles de sucesos

La representacion grafica del arbol se realiza siguiendo la progresioncronologica de sucesos previsibles, a partir del suceso iniciador considerado.Convencionalmente se construye el diagrama de izquierda a derecha. En lafigura 4.2 se muestra un ejemplo de un esquema de un arbol de sucesos, en elque aparece el suceso iniciador a la izquierda del grafico.

En la lınea de cabecera horizontal se indican las diferentes funcionesde seguridad y circunstancias a considerar (sucesos condicionantes o inter-medios), en el orden cronologico esperado. En la figura antes mencionadaaparecen dichos sucesos con los nombres: Factor condicionante A, B y C. Es-tas funciones y circunstancias corresponderan en el desarrollo del arbol conlos nudos en los que se plantean dos bifurcaciones: en la parte superior se

79


refleja el exito o la ocurrencia del suceso condicionante y en la parte inferiorse representa el fallo o la no ocurrencia del mismo. Se procede de esta formacon cada uno de los sucesivos nodos, hasta llegar a los sucesos finales.

A fin de facilitar la interpretacion de las diferentes vıas secuenciales deexitos y fallos hasta alcanzar los sucesos finales, es conveniente denominara cada funcion condicionante con letras correlativas del abecedario, con elmismo orden de actuacion esperado (A, B y C en el ejemplo mostrado en lafigura 4.2).

Figura 4.2.: Esquema de un arbol de sucesos.

5. Clasificacion de las respuestas indeseadas en categorıas de similares

consecuencias

Uno de los objetivos del arbol es identificar aquellas consecuencias nega-tivas de significativa importancia que pueden acontecer. En tal sentido, y pornecesidades de simplificacion, aquellos efectos de escasa relevancia no habrıande ser desarrollados en las sucesivas etapas del analisis.

Muchas consecuencias desarrolladas a traves de las diferentes ramasdel arbol seran similares. Por ello las respuestas finales indeseadas deben

80


ser clasificadas de acuerdo al tipo de modelo de consecuencias que debe serestudiado para completar el analisis.

6. Estimacion de la probabilidad de cada secuencia del arbol de sucesos

A cada una de las secuencias del arbol le corresponde una determinadaprobabilidad de acontecimiento. Consecuentemente, la suma de las probabi-lidades de cada nudo ante las diferentes alternativas valdra 1. Esto es validotanto para respuesta binaria como para respuesta multiple.

En algunos casos, ya sea porque no se disponga de datos precisos oporque es suficiente disponer solo de una cuantificacion orientativa, los datosprobabilısticos seran a emplear tendran un valor aproximado.

De esta forma, el arbol definido tiene las siguientes caracterısticas:

El suceso iniciador viene determinado por una frecuencia f .

Los N sucesos intermedios, estan definidos por su probabilidad de ocu-rrencia, pi, i = 1 . . . N .

Los sucesos complementarios de estos tienen asociados una probabilidadde 1 − pi, i = 1 . . . N .

7. Cuantificacion de las respuestas indeseadas

La frecuencia de cada una de las posibles consecuencias podra ser de-terminada por el producto de la frecuencia del suceso inicial y de cada unade las probabilidades de los sucesos intermedios.

Como comprobacion, la suma de todas las frecuencias de las diferentesconsecuencias, tanto las favorables como las desfavorables, debe coincidir conla frecuencia del suceso inicial.

8. Verificacion de todas las respuestas del sistema

Debido a la limitacion de datos disponibles, o a incorrecciones en laaplicacion del metodo en el sistema estudiado, al haberse omitido importantes

81


ramas del arbol, pueden alcanzarse resultados del arbol incorrectos.

Para evitarlo es fundamental cubrir adecuadamente esta etapa final deverificacion de resultados, aplicando sentido comun y contrastando con datoshistoricos.

4.3.4. Analisis por arbol de fallos

Otra de las tecnicas de analisis de riesgos que se basan en el desarrollode arboles lo constituye el Analisis por Arbol de Fallos (FTA: Fault TreeAnalysis). Esta tecnica tiene como objetivo reproducir todas todas las vıasposibles que puedan conducir a un acontecimiento final antes de que estesuceda. Ante un determinado y posible efecto final, que puede ser generadopor una multiplicidad de causas y circunstancias, trata de conocer todas lasposibles vıas desencadenantes, identificando los fallos basicos y originarios.

Este metodo fue concebido y utilizado por primera vez en los anossesenta para la verificacion de la fiabilidad de diseno de los sistemas de tirode los misiles Minuteman. A partir de ese momento, esta tecnica de analisis deriesgos ha sido ampliamente empleada en el campo nuclear y quımico. El hechode su amplia aceptacion radica en que puede proporcionar resultados tantocualitativos mediante la busqueda de caminos crıticos, como cuantitativos, enterminos de probabilidad de fallos de sus componentes.

Descripcion del metodo

Se trata de un metodo deductivo de analisis que parte de la seleccionprevia de un suceso no deseado o evento que se pretende evitar, sea esteun accidente de gran magnitud o sea un suceso de menor importancia paraaveriguar, en ambos casos, los orıgenes de los mismos. La figura 4.3 muestrala representacion grafica de un arbol de fallos, en cuya parte superior apareceel suceso no deseado seleccionado para el analisis.

Seguidamente, de manera sistematica y logica se representan las com-binaciones de las situaciones que pueden dar lugar a la produccion del eventoa evitar (sucesos intermedios), conformando niveles sucesivos de tal maneraque cada suceso este generado a partir de sucesos del nivel inferior, siendo

82


el nexo de union entre niveles los operadores o puertas logicas (etiquetadascomo A, B y C en la figura antes mencionada).

El arbol se desarrolla en sus distintas ramas hasta alcanzar una serie desucesos basicos (sucesos basicos 1, 2 y 3 en la figura), denominados ası porqueno precisan de otros anteriores a ellos para ser explicados. Tambien algunarama puede terminar por alcanzar un suceso no desarrollado en otros, seapor falta de informacion o por la poca utilidad de analizar las causas que loproducen.

Figura 4.3.: Representacion grafica de un arbol de fallos.

Los nudos de las diferentes puertas y los sucesos basicos o no desa-rrollados deben estar claramente identificados. Estos sucesos basicos o nodesarrollados, que se encuentran en la parte inferior de las ramas del arbol,se caracterizan por los siguientes aspectos:

Son independientes entre ellos.

Las probabilidades de que acontezcan pueden ser calculadas o esti-madas.

Para ser eficaz, un analisis por arbol de fallos debe ser elaborado por

83


personas profundamente conocedoras del sistema o proceso a analizar y que asu vez conozcan el metodo y tengan experiencia en su aplicacion, por lo que,si se precisa, se deberan constituir equipos de trabajo multidisciplinares paraproceder a la reflexion conjunta que el metodo propicia.

Desarrollo del arbol

Una vez identificado el evento que se pretende evitar en el sistema aanalizar, se procede descendiendo escalon a escalon a traves de los sucesosinmediatos o sucesos intermedios hasta alcanzar los sucesos basicos o no de-sarrollados que generan las situaciones que, concatenadas, contribuyen a laaparicion del suceso no deseado. Estos sucesos basicos estan ligados normal-mente a fallos de componentes, errores humanos, errores operativos, . . . .

Para la representacion grafica de los arboles de fallos se utilizan lossımbolos que se representan en la figura 4.4. Existen dos tipos de sımbolosfundamentales: los sucesos y las puertas logicas. Entre los primeros se en-cuentran los basicos, los no desarrollados y los intermedios, y en cuanto a laspuertas, en la figura antes mencionada se muestran las mas utilizadas.

De esta forma, si alguna de las causas inmediatas contribuye direc-tamente por sı sola a la aparicion de un suceso anterior, se conecta con elmediante una puerta logica del tipo “O”. Sin embargo, si son necesarias si-multaneamente todas las causas inmediatas para que ocurra un suceso, en-tonces estas se conectan con el mediante una puerta logica del tipo “Y”.

Procediendo sucesivamente de esta forma, se sigue descendiendo de mo-do progresivo en el arbol hasta llegar a un momento en que, en la parte inferiorde las distintas ramas de desarrollo, aparecen sucesos basicos o no desarrolla-dos. Se habra completado entonces el arbol de fallos.

Evaluacion del arbol

La evaluacion de un arbol de fallos puede limitarse a un tratamientocualitativo o acceder a un segundo nivel de analisis, a traves de la cuantifi-cacion, cuando existen fuentes de datos relativas a las tasas de fallo de losdistintos componentes. A continuacion se explica brevemente cada uno de los

84


Figura 4.4.: Sımbolos utilizados para la representacion del arbol de fallos.

modos de evaluacion.

Evaluacion cualitativa

Consiste en analizar el arbol desde el punto de vista de su estructuralogica para poder determinar las combinaciones mınimas de sucesos basicosque hagan que se produzca el suceso no deseado o evento que se pretendeevitar (nocion de conjunto mınimo de fallos). En otras palabras, se pretende

85


llegar a una ecuacion de algebra de Boole simplificada, donde las variablesson los sucesos basicos.

Ademas, la estructura logica de un arbol de fallos permite utilizar elalgebra de Boole, traduciendo esta estructura a ecuaciones logicas. Para ellose expone muy brevemente tal sistema de equivalencia logica:

Una puerta “0” equivale a un signo “+”, no de adicion sino de unionen teorıa de conjuntos.

Una puerta “Y” equivale a un signo “ · ”, equivalente a la interseccion.

Para la resolucion de arboles de fallos se llevan a cabo los siguientespasos:

1. Identificacion de todas las puertas logicas y sucesos basicos.

2. Resolucion de todas las puertas en sus sucesos basicos.

3. Eliminacion de los sucesos repetidos en los conjuntos de fallo: aplicacionde la propiedad idempotente del algebra de Boole (x ·x = x;x+x = x).

4. Eliminacion de los conjuntos de fallo que contengan a su vez conjuntosde fallo mas pequenos, es decir, determinacion de entre todas las com-binaciones posibles, los conjuntos mınimos de fallo: aplicacion de la leyde absorcion del algebra de Boole (x · (x+ y) = x;x+ (x · y) = x).

De esta forma, es importante identificar, durante el analisis, ademas delos fallos individuales de los componentes, los posibles fallos debidos a unacausa comun o la determinacion de los componentes que fallan del mismomodo.

Evaluacion cuantitativa

Precisa conocer la indisponibilidad o probabilidad de fallo de los suce-sos basicos y determinar valores probabilısticos de fallo de los sucesos nodesarrollados.

Se calcula la probabilidad de fallo de un componente en funcion de latasa de fallo que se puede obtener en bancos de datos y, fundamentalmente,

86


de la propia experiencia. Existe, asimismo, informacion que proporciona datosestimativos sobre tasas de posibles errores humanos que permite asignar va-lores probabilısticos a su ocurrencia.

El conocimiento de los valores de probabilidad de los sucesos primarios(basicos o no desarrollados) permite:

Determinar la probabilidad global de aparicion del suceso no deseado oevento que se pretende evitar.

Determinar las vıas de fallo mas crıticas, es decir, las mas probablesentre las combinaciones de sucesos susceptibles de ocasionar el sucesono deseado.

De esta manera, para la valoracion de la probabilidad global de apari-cion del suceso no deseado se llevan a cabo los siguientes pasos:

1. Se asignan valores probabilısticos a los sucesos primarios.

2. Se determinan las combinaciones mınimas de sucesos primarios cuyaocurrencia simultanea garantiza la aparicion del suceso no deseado: es-tablecimiento de los conjuntos mınimos de fallos.

3. Se calcula la probabilidad de cada una de las vıas de fallo representadapor los conjuntos mınimos de fallos, la cual es igual al producto (inter-seccion logica en algebra de Boole) de las probabilidades de los sucesosprimarios que la componen.

4. Se calcula la probabilidad de que se produzca el acontecimiento final,como la suma de las probabilidades (union logica de todos los N con-juntos mınimos de fallo en algebra de Boole) de los conjuntos mınimosde fallo, como lımite superior, ya que matematicamente deberıa restarsela interseccion de estos.

4.3.5. Analisis de los modos de fallo y sus efectos

El Analisis de los modos de fallo y sus efectos (FMEA: Failure Modesand Effects Analysis) fue aplicado por vez primera por la industria aeroespa-cial en la decada de los 60. En la decada de los 70 lo empezo a utilizar Ford,

87


extendiendose mas tarde al resto de fabricantes de automoviles. En la actua-lidad es un metodo basico de analisis en el sector del automovil que se haextrapolado satisfactoriamente a otros sectores. Este metodo tambien puederecogerse con la denominacion de Analisis de los modos de fallos, efectos ysu criticidad (FMECA: Failure Modes, Effects and Criticality Analysis), alintroducir de manera remarcable y mas precisa la especial gravedad de lasconsecuencias de los fallos, mediante la definicion de un ındice.

Aunque la tecnica se aplica fundamentalmente para analizar un pro-ducto o proceso en su fase de diseno, este metodo es valido para cualquiertipo de proceso o situacion. Evidentemente, este metodo se suele aplicar aelementos o procesos clave en donde los fallos que pueden acontecer, por susconsecuencias puedan tener repercusiones importantes en los resultados es-perados. El principal interes del FMEA es el de resaltar los puntos crıticos conel fin de eliminarlos o establecer un sistema preventivo (medidas correctoras)para evitar su aparicion o minimizar sus consecuencias, con lo que se puedeconvertir en un riguroso procedimiento de deteccion de defectos potenciales,si se aplica de manera sistematica.

El analisis FMEA es una tecnica deductiva que define, identifica y tratade prevenir los problemas conocidos y/o potenciales de un sistema. Consistebasicamente en la elaboracion de tablas o listas de los diferentes componentesdel sistema en los cuales se enumeran y describen los modos de fallo, la de-teccion y los efectos de cada fallo. El metodo FMEA establece finalmenteque fallos individuales pueden afectar directamente o contribuir de una formadestacada al desarrollo de accidentes de una cierta importancia en el sistema.

El FMEA se centra en el analisis de elementos materiales que tienenunas caracterısticas determinadas y con unos modos de fallo que se tratade conocer y valorar. A continuacion se indican de manera ordenada y es-quematica los pasos necesarios para cumplimentar la hoja de analisis para laaplicacion del metodo FMEA de forma generica. El esquema de presentacionde la informacion puede adaptarse a las caracterısticas e intereses de cadasistema.

1. Denominacion del componente e identificacion.

2. Partes del componente, operacion o funcion.

88


3. Fallo o Modo de fallo.

4. Efecto/s del fallo.

5. Medidas de ensayo y control existentes.

6. Severidad.

7. Frecuencia.

8. Detectabilidad.

9. Indice de riesgo.

10. Accion correctora.

La figura 4.5 muestra un diagrama de flujo general para un analisisde riesgos FMEA. En dicho diagrama, se han etiquetado los bloques conel numero de los epıgrafes enumerados anteriormente, y que se detallan acontinuacion.

1. Denominacion del componente e identificacion

Debe identificarse el sistema o parte del proceso incluyendo todos lossubconjuntos y los componentes que forman parte del mismo que se vayana analizar, bien sea desde el punto de vista de diseno del sistema o del pro-ceso propiamente dicho. Es util complementar tal identificacion con codigosnumericos que eviten posibles confusiones al definir los componentes.

2. Partes del componente, operacion o funcion

Se completa con distinta informacion dependiendo de si se esta realizan-do un FMEA de diseno o de proceso. Para el FMEA de diseno se incluyen laspartes del componente en que puede subdividirse y las funciones que realizacada una de ellas, teniendo en cuenta las interconexiones existentes. Para elFMEA de proceso se describiran todas las operaciones que se realizan a lolargo del proceso o parte del proceso considerado.

89


Figura 4.5.: Diagrama de flujo de un analisis FMEA.

90


3. Fallo o Modo de fallo

El Modo de Fallo Potencial se define como la forma en la que una piezao conjunto pudiera fallar potencialmente a la hora de satisfacer el propositode diseno, los requisitos de rendimiento y/o las expectativas del usuario.

Los modos de fallo potencial se deben describir en terminos fısicos otecnicos, no como sıntoma detectable por el usuario. El error humano de ac-cion u omision en principio no es un modo de fallo del componente analizado.

4. Efecto/s del fallo

Normalmente es el sıntoma detectado por el usuario del modo de fallo.Es decir, si ocurre el fallo potencial, como lo percibe el usuario y tambiencomo repercute en el sistema.

Se trata de describir las consecuencias no deseadas del fallo que se puedeobservar o detectar. Es decir, hay que describir los sıntomas tal como lo harıael propio usuario. Si un modo de fallo potencial tiene muchos efectos, a lahora de evaluar, se elegiran los mas graves.

5. Medidas de ensayo y control existentes

En muchos FMEA suele introducirse este apartado de analisis parareflejar las medidas de control y verificacion existentes para asegurar la calidadde respuesta del componente. La fiabilidad de tales medidas de ensayo ycontrol condicionara a su vez a la frecuencia de aparicion de los modos defallo. Las medidas de control deberıan corresponderse para cada una de lascausas de los modos de fallo.

6. Severidad

Determina la importancia o gravedad del efecto del modo de fallo po-tencial para el usuario. Valora el nivel de consecuencias, con lo que el valordel ındice aumenta en funcion de la insatisfaccion del usuario, la degradacionde las prestaciones esperadas y el coste de reparacion.

91


El cuadro de clasificacion de tal ındice deberıa disenarse en funcion decada producto. Generalmente se utiliza un rango de numeros enteros. Unaclasificacion tipo podrıa ser la representada en la tabla 4.5.

Tabla 4.5.: Ejemplo de clasificacion de la severidad en un analisis FMEA.SEVERIDAD CRITERIO VALOR

Muy Baja No es razonable esperar que este fallo de pequena impor-tancia origine efecto real alguno sobre el rendimiento delsistema.

1

Baja El tipo de fallo originaria un ligero inconveniente alusuario. Probablemente, este observara un pequeno de-terioro del rendimiento del sistema sin importancia.

2 - 3

Moderada El fallo produce cierto disgusto e insatisfaccion en elusuario, que observara deterioro en el rendimiento delsistema.

4 - 6

Alta El fallo puede ser critico y verse inutilizado el sistema.Produce un grado de insatisfaccion elevado.

7 - 8

Muy Alta Modalidad de fallo potencial muy crıtico que afecta elfuncionamiento de seguridad del producto y/o involucraseriamente el incumplimiento de normas reglamentarias.

9 - 10

7. Frecuencia

Es la probabilidad de que una causa potencial de fallo (causa especıfica)se produzca y de lugar al modo de fallo. Se trata de una evaluacion subjetiva,con lo que se recomienda, si se dispone de informacion, utilizar datos historicoso estadısticos. Una posible clasificacion se muestra en la tabla 4.6.

La unica forma de reducir el ındice de frecuencia es:

Cambiar el diseno, para reducir la probabilidad de que el fallo puedaproducirse.

Incrementar o mejorar los sistemas de prevencion y/o control que impi-den que se produzca la causa de fallo.

8. Detectabilidad

Si durante el proceso se produce un fallo o cualquier salida defectuosa,este factor indica la probabilidad de que se detecte, pasando a etapas poste-

92


Tabla 4.6.: Ejemplo de clasificacion de la frecuencia de ocurrencia del modode fallo.

FRECUENCIA CRITERIO VALORMuy baja No se ha dado nunca en el pasado, pero es concebible. 1

Baja Fallos aislados en procesos similares. Es razonablementeesperable en la vida del sistema, aunque es poco probableque suceda.

2-3

Moderada Defecto aparecido ocasionalmente en procesos similares oprevios al actual. Probablemente aparecera algunas vecesen la vida del componente.

4-5

Alta El fallo se ha presentado con cierta frecuencia en el pasa-do en procesos similares.

6-8

Muy alta Fallo casi inevitable. Es seguro que el fallo se pro-ducira frecuentemente.

9-10

riores, generando los consiguientes problemas y llegando en ultimo terminoa afectar al usuario. Cuanto mas difıcil sea detectar el fallo existente y masse tarde en detectarlo mas importantes pueden ser las consecuencias del mis-mo. En la tabla 4.7 se muestra un ejemplo de asignacion de valores de ladetectabilidad.

Tabla 4.7.: Ejemplo de clasificacion de la facilidad de deteccion del modo defallo.

DETECTABILIDAD CRITERIO VALOR

Muy alta El defecto es obvio. Resulta muy improbable queno sea detectado por los controles existentes.

1

Alta El defecto, aunque es obvio y facilmente de-tectable, podrıa en alguna ocasion escapar a unprimer control.

2-3

Mediana El defecto es detectable y posiblemente no llegueal usuario. Posiblemente se detecte en los ultimosestadios de produccion.

4-6

Pequena El defecto es de tal naturaleza que resulta difıcildetectarlo con los procedimientos establecidoshasta el momento.

7-8

Improbable El defecto no puede detectarse. Casi seguro que lopercibira el cliente final.

9-10

93


9. Indice de riesgo

El ındice de riesgo es el producto de la severidad de fallo, la frecuenciade ocurrencia y la detectabilidad del modo de fallo. El ordenamiento numericode los modos de fallo por tal ındice ofrece una primera aproximacion de suimportancia, pero es la reflexion detenida ante los factores que las determinan,lo que ha de facilitar la toma de decisiones para la accion preventiva.

10. Accion correctora

En este apartado se deben reflejar todos los controles propuestos paraprevenir las causas del fallo, detectar el efecto resultante y mitigar las con-secuencias, en aquellos casos en los que el riesgo este por encima de un nivelestablecido como aceptable.

Todos estos puntos detallados describen un analisis de riesgos FMEA, ydan como resultado final un conjunto de tablas correspondientes a cada unode los distintos componentes del sistema. El formato de recogida de los datosse muestra en la tabla 4.8.

Tabla 4.8.: Formato de recogida de datos del metodo FMEA.Sistema:Componente:Modode fallo

Efecto Causa Severidad Frecuencia Detectabilidad Indice deriesgo

Accionescorrectoras

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4. Analisis de riesgos para un robot quirurgico

El diseno y desarrollo de dispositivos medicos seguros incluye indis-cutiblemente un analisis de riesgos. De hecho, la norma Europea para pro-ductos sanitarios (EN 1441) exige a los fabricantes eliminar o reducir losriesgos para el paciente, tanto como sea posible, a traves de dicho analisis.

En el apartado anterior se han descrito las tecnicas de analisis de ries-gos mas utilizadas en el sector industrial, tanto para dispositivos en diseno

94

4.4 Analisis de riesgos para un robot quirurgico

como para plantas de procesos en funcionamiento. Sin embargo, y aunquetodas pueden utilizarse en cualquier proyecto, dependiendo de la aplicacion yel objetivo del analisis unas seran mas adecuadas que otras. De esta forma,el analisis What if . . . ? proporciona un estudio mas superficial y es adecuadopara sistemas cuyo fallo no sea muy crıtico. El analisis HAZOP es amplia-mente utilizado en plantas industriales de procesos continuos, como puedenser los procesos quımicos, pero hay que reestructurar el metodo cuando setrata de un dispositivo electronico, no obteniendo resultados tan provechososcomo pueden proporcionar los analisis basados en arboles o el FMEA.

Los dos metodos mas utilizados en las distintas disciplinas, y los masadecuados para el caso de dispositivos medicos, tal y como se propone enla norma Europea antes mencionada son el Analisis por arbol de fallos y elAnalisis de modos de fallos y sus efectos.

Tanto el analisis FTA como el FMEA presuponen la experiencia y elconocimiento tecnico de los encargados de realizar el analisis. Ambas tecnicasrequieren un equipo de expertos, con conocimientos y experiencia en el dis-positivo a analizar, e incluso es preferible un equipo multidisciplinar. Con losdos metodos se obtiene un resultado riguroso y, al igual que las demas tecnicasanalizadas, requieren entrenamiento, practica y disciplina para obtener unosbeneficios optimos.

Sin embargo estos dos tipos de analisis de riesgos se diferencian en supunto de partida. El metodo FTA se basa en un fallo del sistema, y examinalos componentes, procesos y condiciones de forma retroactiva, para identificartodos los factores que han podido contribuir, en solitario, o asociado con otros,para desembocar en dicho fallo. Es decir es una tecnica deductiva, o top-down.Por otro lado, el analisis FMEA, analiza cada componente del sistema, deuno en uno, y examina todos los fallos del sistema que puede ocasionar unproblema en dicho componente. Se trata de una tecnica inductiva o bottom-up.

De esta forma, el analisis FTA es mas apropiado para estudiar sistemascomplejos, particularmente cuando se puede dar la interaccion de multiplescausas potenciales. Es un metodo muy potente para encontrar y entender in-teracciones complejas que han causado o pueden causar un mal funcionamien-to del sistema, y puede resultar mas util como herramienta de analisis paraacciones correctivas posteriores. Por esta razon puede resultar mas efectiva

95


durante el proceso de verificacion de un dispositivo y para analisis de pro-blemas posteriores a la produccion. El analisis FMEA, por el contrario, esbasicamente una herramienta que fomenta la accion preventiva, ya que pre-tende predecir y eliminar los modos de fallo potenciales de un diseno antesde que ocurran, obteniendose un diseno inicial robusto.

Otra diferencia importante entre ambos metodos es que en el analisisFTA se obtienen resultados cuantitativos, ya que proporciona finalmente laprobabilidad de que se produzca un fallo determinado en el sistema, mien-tras que en el metodo FMEA, los resultados son basicamente cualitativos. Sinembargo, para poder evaluar el arbol de fallos hay que partir de la probabi-lidad de fallo de los componentes basicos, y estos, normalmente, son datosaproximados y basados en la experiencia.

En cualquier caso estos dos metodos de analisis de riesgos pueden uti-lizarse de manera indistinta, y proporcionan resultados igualmente validos.De hecho, se encuentran casos en los que se ha aplicado una combinacion deambos metodos (Jianfeng et al., 1999).

En el marco de esta tesis se ha utilizado el analisis FMEA, particulari-zado para robots quirurgicos, tal y como se describe a continuacion.

4.4.1. FMEA aplicado a robots quirurgicos

A la hora de realizar un analisis de riesgos FMEA a un dispositivoelectromedico, no hay que realizar grandes modificaciones con respecto almetodo descrito en el apartado 4.3.5. El procedimiento comenzarıa con unadescomposicion del dispositivo en subsistemas funcionales. A continuacion, seidentifican los modos de fallos de estos subsistemas, ası como sus efectos enel dispositivo y las consecuencias que estos modos de fallos tendrıan sobre elpaciente.

Todo esto se debe reflejar en una tabla, en la que hay que introducir unındice de riesgo. Este ındice viene definido como funcion de la frecuencia conla que pueda darse un peligro que cause un dano, y el nivel de severidad deeste ultimo. Para ello es importante establecer una clasificacion que determinelos niveles de gravedad en este tipo de dispositivos. De esta manera se hanconsiderado cuatro niveles diferentes:

96

4.4 Analisis de riesgos para un robot quirurgico

Dano insignificante: Posibilidad de heridas sin importancia o nulas parael paciente.

Dano leve: Posibilidad de heridas leves.

Dano crıtico: Posibilidad de heridas serias.

Dano catastrofico: Posibilidad de muerte.

Ası, la tabla 4.9 detalla por columnas y de forma creciente de izquierdaa derecha la severidad del dano que puede causar un peligro, y por filas deforma tambien creciente de abajo hacia arriba la probabilidad de ocurrenciadel peligro. El ındice de cada celda denota el ındice de riesgo en relacion con elanexo CCC de la norma EN 60601-1-4:1996 que rige este tipo de dispositivos.De este modo se distinguen tres zonas principales:

Zona de riesgo intolerable: Se marca con el numero 4, e indica que elriesgo de ciertos peligros es tan severo que un sistema en el que existierano podrıa ser tolerado. Se tomaran controles para reducir la severidady/o la posibilidad de peligro.

Zona de riesgo ampliamente aceptable: Se denota con el numero 0, y sedefine como una zona de riesgo despreciable que no requiere la aplicacionde ninguna accion de correccion.

Zona ALARP (As Low As Reasonably Practicable): Se distingue con elnumero 2, y se situa entre las dos zonas anteriores. De esta manera, lafrontera con la zona de riesgo intolerable se marca con el numero 3, y lacorrespondiente con la zona de riesgo ampliamente aceptable con el 1.Se tomaran acciones de control para llevar al riesgo lo mas lejos posiblesde las casillas marcadas con el 3 para llegar a un nivel tan bajo comorazonablemente sea posible.

Por tanto, y para terminar el analisis FMEA se incorpora a la tabla laforma en que los modos de fallo se detectan, ası como las medidas de controlnecesarias para que la respuesta del sistema sea segura. En la tabla 4.10 semuestra el resultado de aplicar este metodo en un dispositivo electromedicocomo es un robot quirurgico.

97


Tabla 4.9.: Indice de riesgos.Dano Dano Dano Dano

despreciable marginal crıtico catastroficoFrecuente 2 3 4 4Probable 2 2 3 4Ocasional 2 2 2 3Remoto 1 2 2 2

Improbable 0 1 2 2Inexistente 0 0 1 1

Tabla 4.10.: Tabla de recogida de datos para dispositivos medicos.Modo Efectos Posibles Indice Deteccion Controles

de fallo en el sistema peligros de Riesgo aplicados

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Es importante resaltar que cuando un sistema coexiste con seres hu-manos, existen tres factores principales que pueden ocasionar un dano fısico:un movimiento anormal del dispositivo, un error humano, y la entrada decomponentes externos dentro del campo de trabajo del robot (Yamada et al.,1999). A la hora de identificar los diferentes modos de fallo potenciales cau-sados por humanos, se pueden establecer los siguientes errores (Guiochet yVilchis, 2002):

1. Error por omision: No se ejecuta una accion esperada. Una de las ta-reas que estaban incluidas en el procedimiento planificado no llega arealizarse.

2. Error en la realizacion de una tarea, producido por diferentes causas:

Ejecucion incorrecta de una tarea esperada.

Ejecucion de una tarea en un instante de tiempo equivocado.

Ejecucion de diferentes acciones en un orden secuencial erroneo.

3. Acciones desconocidas o no planificadas. Se realizan tareas que no es-taban incluidas en el procedimiento planificado.

De esta forma, al realizar un analisis de riesgos de un dispositivo medicose deben incluir estos modos de fallo como fuentes de peligros potenciales.

98

4.5 Conclusiones

4.5. Conclusiones

Un sistema robotico disenado para aplicaciones medicas constituye unelemento de elevado riesgo en cuando a que esta en contacto directo tantocon el paciente, como con el propio cirujano. Por tanto, es necesario quese consideren medidas de seguridad estrictas con vistas a que se minimicen,hasta un nivel considerado como aceptable, los fallos que se puedan producir,ası como los efectos que dichos fallos conllevan, tanto para el paciente y elequipo quirurgico, como para el propio sistema.

De esta manera, desde la etapa de diseno del sistema, y a lo largode toda su vida util, hay que tener presente este factor, incluyendo en suconcepcion elementos que garanticen esta seguridad. En este sentido muchossistemas incorporan redundancia de sensores, limitaciones mecanicas paralas articulaciones, compensacion de la gravedad y sistemas supervisores delsistema de control, entre otros.

No obstante, con objeto de verificar que estas medidas proporcionan unnivel de seguridad adecuado para la aplicacion, la normativa europea que rigelos aparatos electromedicos exige la realizacion de un analisis de riesgos paraintroducir el sistema en un quirofano real.

En este capıtulo se han descrito los metodos de analisis de riegos masutilizados en el ambito industrial, y que son aplicables a cualquier tipo desistemas, incluidos los robots quirurgicos. Entre estos metodos, hay dos deellos que se recomiendan especialmente por la normativa especifica para estetipo de aparatos, de manera que se ha propuesto una metodologıa basada enel analisis de riesgos FMEA que incluye la obtencion del llamado ındice deriesgos. Este ındice es funcion de la probabilidad de ocurrencia de un falloy la severidad de las consecuencias que produce, y determina si es necesarioaplicar medidas correctivas para reducirlo, o si las consecuencias acontecidasson aceptables para el sistema.

Este procedimiento propuesto se ha llevado a la practica sobre el robotasistente para cirugıa laparoscopica Erm, de la Universidad de Malaga. Losresultados obtenidos se describiran en el capıtulo 5.

99


100

5. Implantacion

5.1. Introduccion

En los capıtulos anteriores se han planteado unos desarrollos teoricos-practicos sobre el control de movimientos aplicado a asistentes roboticos paracirugıa laparoscopica. En concreto se han propuesto metodologıas para laplanificacion de trayectorias en lınea para asistentes dotados de munecas pasi-vas. En este capıtulo se detalla la puesta en practica de los metodos planteadosen el sistema robotico Erm.

En primer lugar, este capıtulo realiza una descripcion del sistema roboti-co mencionado. Se detalla su estructura cinematica y se realiza una descom-posicion funcional del mismo. Esta descomposicion funcional tiene una doblemotivacion: por un lado permite un mejor conocimiento del sistema y por otrolado es una base necesaria para poder realizar el analisis de riesgos siguien-do la metodologıa propuesta en el capıtulo anterior. Para ello se realiza unestudio detallado de cada una de las unidades funcionales del sistema con elobjeto de detectar los posibles fallos que pudieran ocasionarse en el sistema ysus consecuencias para el paciente. En los casos que lo requieran, se establecenmedidas de control para minimizar el riesgo.

Para la implantacion del esquema de control cartesiano propuesto enel capıtulo 3, se hace necesario el ajuste de los parametros del controlador.Concretamente es necesario obtener la velocidad cartesiana maxima que elefector final del manipulador puede ejercer en una posicion dada. Para ello senecesita aplicar el estudio de manipulabilidad propuesto en el citado capıtulo,particularizado para la estructura cinematica concreta del sistema Erm.

A continuacion, en el apartado 5.5 se muestra brevemente la estructuradel diseno Software introducido en el controlador. Se han utilizado tecnicas

101

5 Implantacion

de ingenierıa del software y programacion orientada a objetos. Con ello seconsigue un codigo mas robusto y mas sencillo de modificar.

Por ultimo, todo el sistema implantado se verifica a partir de una se-rie de experimentos sobre simuladores de paciente, mostrando los resultadosobtenidos en relacion al esquema de control disenado.

5.2. El robot ERM

El esquema de control cartesiano que se ha detallado en el capıtulo 3se ha implantado en la arquitectura de control del manipulador Erm (En-doscopic Robotic Manipulator). Este robot ha sido disenado y construidoıntegramente en la Universidad de Malaga para funcionar como asistenteen cirugıa laparoscopica moviendo la camara de acuerdo a las ordenes delcirujano (Munoz et al., 2003).

Se trata de un robot compuesto por cinco grados de libertad (figura5.1), divididos en dos componentes: tres grados de libertad activos (d1, θ2, θ3)con una configuracion PRR clasica, encargados del posicionamiento de lacamara laparoscopica, y una muneca pasiva de dos grados de libertad (θ4, θ5)perpendiculares entre sı, para lograr la orientacion requerida.

De este modo, la orientacion real de la camara, segun las variablesesfericas de la tarea definidas en el apartado 3.2 se define a traves de lasexpresiones (vease Apendice A):

α = θ2 + θ3 + θ4

β = −θ5(5.1)

La articulacion prismatica del manipulador se consigue a traves de undesplazador lineal accionado por un motor con reduccion, similar a los encar-gados de las articulaciones rotacionales.

La interfaz del robot con el usuario permite dos modos de funcionamien-to: a traves de ordenes verbales, y mediante el movimiento de un joystick. Encuanto al primer modo de funcionamiento, se han considerado seis instruc-ciones de voz basicas: arriba, abajo, izquierda, derecha, dentro y fuera. Todas

102

5.2 El robot ERM

propuesto en el apartado anterior planifica la

trayectoria del efector final en línea, en función de la

realimentación sensorial de la muñeca pasiva, es

ia planificada. Por tanto,

orias posibles, se requiere

Por cada punto del espacio de la tarea existen

infinitas posibilidades para realizar el próximo

movimiento. Con el objeto de simplificar esta

cuestión, se considera asociada a cada postura del

manipulador una esfera en el lugar del elipsoide

definido en la expresión (9). De esta manera, se tiene

un único factor de transformación por cada

esfera se construye con

La metodología para el estudio propuesto consiste en

hacer discreto el espacio de la tarea y trasladarlo al

ámbito articular. Con la simplificación considerada, a

d1

2

3

4

5

Figura 5.1.: Asistente robotico Erm.

ellas producen un movimiento del robot que corresponde a un incremento delextremo de la optica en la direccion seleccionada en funcion de la distancia alpunto de fulcro estimada. De este modo, un movimiento de la optica hacia laizquierda o la derecha implica un desplazamiento que modifica unicamente lavariable esferica α en una determinada magnitud. En el caso de las ordenesarriba y abajo, β es la variable esferica afectada. Por ultimo, las ordenesdentro y fuera suponen una modificacion de la variable esferica ρ. Por el con-trario, con el joystick se proporciona un movimiento continuo del extremo dela optica, hasta que este deje de actuarse.

Ambos modos de funcionamiento generan las coordenadas esfericas dedestino, que son utilizadas como referencias por un microprocesador, en elque se lleva a cabo el control de movimientos cartesianos segun el esquema de

103

5 Implantacion

control presentado en el capıtulo 3. Este compensa los errores de orientacionde la optica a pesar de la incertidumbre actual en la distancia exterior ρ.De esta forma, aunque las ordenes verbales se traducen a posiciones esfericasabsolutas, el funcionamiento concurrente de los controladores disenados paracada una de las variables esfericas, garantiza que las magnitudes no afectadaspor la orden emitida permanecen en su posicion de referencia inicial. Estoes necesario, ya que aunque el analisis teorico desarrollado en el mencionadocapıtulo muestra que el acoplamiento entre las variables α y β no es signi-ficativo, en la practica influyen otros factores externos no considerados en elestudio descrito como la interaccion de los cirujanos durante la intervencion,que pueden mover de forma fortuita la posicion del punto de fulcro o ejer-cer fuerzas sobre la optica. Ası, con la estrategia de control elaborada, losmovimientos producidos son puramente horizontales, verticales, o de inser-cion, ya que en caso contrario desconcertarıa al cirujano a la hora de enfocarla zona de interes del interior del abdomen. El apendice B detalla la arquitec-tura de control del sistema Erm desde el punto de vista de la implantacion.

5.2.1. Descomposicion funcional del sistema ERM

El presente apartado detalla la descomposicion funcional del asistenteErm en aras de comprender mejor su funcionamiento, y poder someterlo aun analisis de riesgos FMEA. Esta descomposicion consiste en identificar loselementos que componen el robot Erm y que realizan una tarea especıfica.Como fruto de la interrelacion de todos estos elementos, el sistema completorealiza las funciones para las cuales se ha disenado. De esta forma, se hanconsiderado los siguientes subsistemas: sistema de alimentacion, brazo servo-controlado, muneca pasiva, sistema supervisor e interfaz de comunicaciones.

La figura 5.2 muestra la relacion entre los componentes enumerados, yla descripcion de estos se realizara en los siguientes subapartados.

Sistema de alimentacion

Es el componente responsable del suministro de energıa electrica nece-saria para el funcionamiento del aparato. Posee baterıas ubicadas en la basedel robot que le dotan de autonomıa y seguridad de funcionamiento, ası co-

104

5.2 El robot ERM

Figura 5.2.: Componentes del asistente Erm.

mo de una gran estabilidad contra vuelcos. Se encarga de proporcionar ali-mentacion tanto a la electronica de control como a los motores.

Esta formado por un par de baterıas de plomo de 12 V y 24 Ah (queproporcionan la alimentacion a los motores), una baterıa de plomo de 6 Vy 3.6 Ah (para la alimentacion de la electronica de control), y un panel decontrol.

El panel de control posee dos interruptores de encendido, uno para losmotores, y otro para la electronica de control, y un indicador luminoso defuncionamiento del servocontrolador. Ademas existe un pulsador de emer-gencia visible y accesible colocado en la parte alta del robot que permitedesactivar tambien la alimentacion de potencia. Asimismo, se dispone de otropanel de control adicional, solo accesible mediante herramientas, que constade dos interruptores, cuatro portafusibles y dos conectores para la carga delas baterıas.

105

5 Implantacion

Por seguridad, dispone de una senal de entrada de habilitacion de lasalida de potencia, que garantiza que los motores no pueden ponerse en mar-cha hasta que el microprocesador supervisor no ha comprobado que todoslos componentes estan preparados y funcionando correctamente. Dicho su-pervisor, que se describira mas adelante, es el encargado de gobernar el fun-cionamiento global del sistema a traves de la generacion de las consignas demovimiento, y dispone de diferentes medidas de seguridad, necesarias paraque todo el sistema funcione sin suponer un peligro para el paciente.

Brazo servocontrolado

Es el componente que proporciona soporte mecanico, y control de laposicion del brazo. Recibe informacion acerca de los valores que deben poseerlos angulos y desplazamientos del brazo, y su propio sistema de control, rea-limentado mediante sensores (encoders) opticos de giro de los motores y de-tectores opticos de fin de carrera, dosifica la alimentacion de potencia sobrelos motores para conseguir que los elementos del brazo alcancen la posiciondeseada.

Esta formado por la estructura mecanica de soporte, un desplazadorlineal vertical monocarril, dos segmentos de brazo giratorio, ası como de suscorrespondientes rodamientos y transmisiones, movidos por tres motores dota-dos de reductora y codificador angular ademas de sensores opticos de fin decarrera. La parte electronica la componen tres circuitos integrados contro-ladores de posicion y tres conmutadores electronicos de potencia. En la figura5.3 se muestra la estructura mecanica del brazo y la caja de control dondeestan integrados los controladores del brazo.

La especial configuracion de los motores y reductoras hace que en casode desconexion de la alimentacion, la estructura queda detenida y no cae porla gravedad. Esta caracterıstica, ademas de permitir paradas de emergenciaproporciona un importante aumento de la autonomıa del robot.

La parte electronica y sensorial esta alimentada por la senal de ali-mentacion de control, y es la encargada de modular la alimentacion de po-tencia que se destina unicamente a los motores. Aunque la senal de potenciano esta regulada y su tension depende del nivel de carga de las baterıas, la

106

5.2 El robot ERM

Estructura mecánica del brazo servocontrolado

Muñeca pasiva Botón de

emergencia

Joystick

Caja de control: ServocontroladoresSupervisorReconocedor de voz Sistema de alimentación

Figura 5.3.: Brazo servocontrolado del robot Erm.

realimentacion sensorial permite mantener la misma velocidad y precision derespuesta en los motores, obteniendose ası un gran rendimiento un ampliomargen de funcionamiento.

Los circuitos de control de posicion estan basados en un microproce-sador que constantemente compara la posicion obtenida por el codificadoroptico angular con la posicion ultima posicion deseada recibida. Esta posi-cion deseada es recibida digitalmente mediante una secuencia de operacionesque evita que se reciba la posicion accidentalmente por fallo en el sistema su-

107

5 Implantacion

pervisor. Asimismo informan del estado por el mismo medio, impidiendo falsosinformes de estado. Ademas de realizar el control de la posicion, supervisanla calidad del control detectando fallo o funcionamiento anomalos. Ası, si elposicionamiento no se realiza con la velocidad y precision establecida, lo queprobablemente se deba a un fallo en componentes o alimentacion, se detiene elmotor y se genera una senal que avisa al sistema supervisor inmediatamentenotificandole del error.

Los circuitos reguladores de potencia dosifican la potencia suministradaa los motores modulandola de forma digital (encendido/apagado), por lo quecarecen de ajustes analogicos y ası de mantenimiento. Disponen de disipadoresde calor para evitar calentamiento, aunque dada la especial configuracion delas articulaciones solo se activan en los momentos en que el brazo cambia suposicion.

Muneca pasiva

Es el elemento terminal del brazo robot que sujeta el endoscopio mien-tras que le permite su libre orientacion para adaptarse al trocar, y que esta dota-do de sensores para obtener una medida de dicha orientacion (vease figura5.4).

El agarre permite al endoscopio girar libremente en dos ejes que secortan a lo largo del eje de la optica, con lo que, independientemente de laposicion del brazo, no se puede hacer que ejerza esfuerzos sobre su punto deinsercion en el paciente. La orientacion resultante depende, por tanto, de lasposiciones relativas del extremo de la muneca y del punto de insercion delendoscopio en el paciente.

Los elementos mecanicos que constituyen este componente son dos bra-zos de aluminio con ejes dotados de rodamientos que proporcionan rotacionrespecto a un centro remoto en el cual se coloca la optica. Estos elementosestan construidos mecanizando una pieza solida de duraluminio por lo queposeen una resistencia muy superior a las cargas maximas a las que puede sersometida la muneca. El extremo de esta muneca esta dotado de una pinza contornillo de cierre/apertura rapida que abraza la optica a traves de la fundade plastico esteril, que proporciona aislamiento biologico y electrico.

108

5.2 El robot ERM

Figura 5.4.: Muneca pasiva del robot Erm.

Las entradas a este componente son el desplazamiento o posicion, quele proporciona el brazo servocontrolado, y la alimentacion de control para lossensores, que comparte con el resto de la electronica.

Proporciona como salidas informacion de los valores de los angulos me-didos en los ejes pasivos a traves de dos dispositivos electronicos que decodi-fican dicha informacion para presentarla al supervisor.

Supervisor

Es el componente encargado de gobernar el funcionamiento general delaparato. Se trata de un sistema basado en un microcontrolador programadopara recibir instrucciones de movimiento y planificar las posiciones que debealcanzar el brazo servocontrolado en cada momento.

Este sistema recibe informacion de la muneca pasiva y del brazo ser-vocontrolado para decidir el movimiento que debe solicitar a este ultimo demodo que el endoscopio sujetado a la muneca se encuentre en la orientaciondeseada.

109

5 Implantacion

En caso de que el brazo servocontrolado informe de un fallo en la eje-cucion mediante un estado de error, o mediante una interrupcion, pasara in-mediatamente a un estado de fallo seguro, donde se desconecta la alimentacionde potencia.

Este subsistema funciona mediante la alimentacion de control, y esta do-tado de un circuito externo de proteccion que, en caso de que la tension dealimentacion disminuya aproximandose a los niveles crıticos, interrumpe laejecucion del programa llevando al sistema a un estado de fallo seguro. Estoevita fallos en la ejecucion del programa debidos a falta de energıa.

Aunque funcione correctamente el componente de brazo sevocontrolado,se pueden detectar anomalıas por aumento del error, o discrepancia entreel comportamiento previsto para la variacion medida en la orientacion dela optica y la variacion esperada. Esta situacion permite detectar fallos noreconocibles por otros componentes.

Interfaz de comunicaciones

Es el componente encargado de la comunicacion con el cirujano, quecontempla dos modos de funcionamiento: mediante ordenes habladas, y me-diante movimientos de un joystick situado en la muneca del posicionador.

El primero de ellos, se trata de un sistema que reconoce ordenes (pala-bras) habladas asociadas con movimientos de la optica, con capacidad parareproducir mensajes hablados que confirman las operaciones y notifican delestado del sistema al usuario. Este sistema evita el uso de las manos del ciru-jano, que ya estan ocupadas en las tareas propias de la intervencion quirurgica,y no estorba al mismo ni al personal auxiliar ya que el microfono y el auricularvan colocados en la cabeza del cirujano.

El sistema de reconocimiento de voz se encuentra ubicado en la basedel brazo mecanico y esta basado en una red neuronal artificial que debe serentrenada exclusivamente por la persona que lo va a utilizar. El sistema per-mite el almacenamiento de los perfiles de entrenamiento de multiples usuarios.Dichos entrenamientos se realizan fuera del quirofano y pueden almacenarseindefinidamente.

110

5.3 Analisis de riesgos FMEA

El joystick constituye un metodo redundante con respecto al anteriorpara comunicar el posicionador el movimiento basico que tiene que ejecutar.El posicionador reproducira con el laparoscopio los movimientos introducidosmediante el joystick. Por ejemplo, si este ultimo se mueve hacia la derecha,la camara se movera en la mencionada direccion. En este caso, la velocidadcon la que se mueve el laparoscopio es proporcional a la inclinacion del ejedel joystick respecto a su posicion de descanso.

5.3. Analisis de riesgos FMEA

En este apartado se detallan los posibles fallos en cada una de lasunidades funcionales de las que se compone el sistema, con el objetivo de es-tudiar los problemas potenciales que se derivan del uso del dispositivo. Paraello, se ha considerado una tabla por componente, donde cada fila explicita,ordenado por columna y de izquierda a derecha, un modo de fallo, el efectode este sobre el sistema, los posibles peligros que puede acarrear al paciente,un ındice de riesgo, como puede detectar el fallo el usuario del dispositivo, ylos controles que se han considerado para hacer mınimo el riesgo.

A continuacion, las tablas 1 a la 5 estudian el analisis de riesgo en mo-do de fallo de los componentes considerados: sistema de alimentacion, brazoservocontrolado, muneca pasiva, supervisor y sistema de comunicaciones porla voz. Se destacan que las acciones de control para hacer mınimo el riesgoactuan tanto en la frecuencia del peligro como en la severidad del dano.

111

5 Implantacion

Tab

la5.

1.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lsi

stem

ade

alim

enta

cion

.

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

Niv

elde

bate

rıa

bajo

(por

enci

ma

de5

volt

ios)

.

El

braz

ose

rvo-

cont

rola

doej

ecu-

taco

rrec

tam

ente

los

mov

imie

ntos

,au

nque

pier

deve

-lo

cida

dde

res-

pues

ta.

Ren

dim

ient

oin

adec

uado

,el

braz

ose

mue

vem

asle

nto

delo

prev

isto

,pe

rosi

naf

ecta

ral

paci

ente

.

0

Seap

reci

aun

mo-

vim

ient

ole

nto

enel

braz

ose

rvo-

cont

rola

do.

Elc

ontr

olar

ticu

lar

delb

razo

dete

cta

unau

men

toan

orm

alde

ler

ror

depo

sici

onen

las

dist

inta

sar

ticu

laci

ones

debi

doal

desc

enso

dela

velo

cida

d.C

uand

oes

tooc

urre

,en

vıa

una

sena

lde

erro

ral

su-

perv

isor

que

deti

ene

elm

ovim

ient

ode

los

mot

ores

ysi

tua

alsi

stem

aen

esta

dode

fallo

segu

ro.

Caı

dabr

usca

del

sum

inis

tro

deen

ergı

aal

rest

ode

los

com

pone

ntes

por

fallo

deun

com

pone

nte

crıt

ico.

El

braz

oqu

eda

dete

nido

defo

r-m

ain

med

iata

,y

qued

aan

clad

oen

lapo

sici

onac

-tu

al.

La

estr

uctu

ram

ecan

ica

delb

razo

podr

ıasu

frir

una

pequ

ena

sacu

dida

que

afec

tase

ala

posi

cion

actu

alde

laop

tica

dent

rode

lab

dom

ende

lpa

cien

te.

1

Dej

ade

luci

rla

luz

verd

ede

lpa

nel

deco

ntro

l.

Elb

razo

seha

cons

trui

doco

nm

ater

iale

slig

eros

,y

las

arti

cula

cion

esse

actu

ana

trav

esde

redu

ctor

esde

una

elev

ada

razo

nde

redu

ccio

n.A

sı,

sega

rant

iza

elpa

roin

med

iato

delo

sel

emen

tos

sin

que

afec

teso

bre

ello

sla

grav

edad

ola

iner

cia

dela

para

da.

Sigu

e...

112


Tab

la5.

1.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lsi

stem

ade

alim

enta

cion

(con

tinu

acio

n).

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

Fallo

parc

ial

dela

ali-

men

taci

onde

cont

rol.

Dej

ande

fun-

cion

arel

supe

rvi-

sor,

lael

ectr

onic

ade

cont

rol

del

braz

ose

rvoc

on-

trol

ado,

ylo

sco

dific

ador

esde

lam

unec

apa

siva

.

La

estr

uctu

ram

ecan

ica

delb

razo

podr

ıasu

frir

una

pequ

ena

sacu

dida

que

afec

tase

ala

posi

cion

actu

alde

laop

tica

dent

rode

lab

dom

ende

lpa

cien

te.

1

Dej

ade

luci

rla

luz

verd

ede

lpa

nel

deco

ntro

l.

Seha

incl

uido

unsi

stem

ael

ectr

onic

oa

trav

esde

opto

acop

lado

res

dem

aner

aqu

ecu

ando

cae

laal

imen

taci

onde

con-

trol

,se

inha

bilit

ala

alim

enta

cion

delo

sm

otor

es,

ypo

rta

nto,

elbr

azo

qued

ain

mov

il.

Fallo

parc

ial

dela

ali-

men

taci

onde

pote

ncia

.

Dej

ande

fun-

cion

arlo

sm

o-to

res,

por

loqu

eel

braz

ose

rvo-

cont

rola

dode

jade

mov

erse

.

Ren

dim

ient

oin

adec

uado

,elb

ra-

zode

jade

mov

erse

,pe

rosi

naf

ecta

ral

paci

ente

.

1

Par

pade

ala

luz

roja

defa

llocr

ıtic

ode

lpan

elde

cont

rol.

Els

uper

viso

rde

tect

aqu

eel

braz

ose

rvo-

cont

rola

dono

cam

bia

depo

sici

onpa

rare

aliz

arel

mov

imie

nto

enco

men

dado

,y

sepo

neen

mod

ode

fallo

,de

scon

ecta

n-do

laal

imen

taci

onal

rest

ode

lsi

stem

a.A

sim

ism

o,pa

raev

itar

este

tipo

defa

-llo

s,to

doel

chas

ism

etal

ico

seen

cuen

tra

cone

ctad

oa

tier

ra.

Sigu

e...

113

5 Implantacion

Tab

la5.

1.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lsi

stem

ade

alim

enta

cion

(con

tinu

acio

n).

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

Der

ivac

ion

del

sist

ema

deal

i-m

enta

cion

.

El

sist

ema

func

iona

norm

al-

men

te.

Pos

ible

desc

arga

elec

tric

ade

baja

tens

ion.

0

No

sede

tec-

ta.

El

chas

isse

encu

entr

aco

nect

ado

ati

e-rr

a,y

con

las

bate

rıas

com

plet

amen

teca

rgad

as,

nose

supe

ran

los

26vo

ltio

s.

114


Tab

la5.

2.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lbr

azo

serv

ocon

trol

ado.

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

Fallo

enlo

sac

tuad

ores

,re

duct

ores

otr

ansm

i-si

ones

dela

sar

ticu

laci

ones

rota

cion

ales

.

La

arti

cula

cion

afec

tada

deja

dem

over

se,

yel

braz

oej

ecut

aun

atr

ayec

tori

aer

rone

a,au

n-qu

esi

nej

erce

rfu

erza

sin

de-

sead

asso

bre

elcu

erpo

del

paci

ente

grac

ias

ala

acom

odac

ion

real

izad

apo

rla

mun

eca

pasi

va.

Al

noej

ecut

arel

braz

ose

rvoc

ontro-

lado

latr

ayec

tori

apr

evis

ta,

laop

tica

sem

ueve

dent

rode

laca

vida

dab

dom

i-na

lpo

run

reco

rri-

dodi

stin

toal

espe

-ra

do.

Pod

rıa

toca

run

avı

scer

a.

1

Seen

cien

dela

luz

roja

defa

llocr

ıtic

o.A

sim

ism

o,el

usua

rio

dete

cta

unm

ovim

ient

oex

tran

ode

lbr

azo.

Sila

arti

cula

cion

afec

tada

qued

atr

aba-

da,l

ael

ectr

onic

ade

cont

rola

rtic

ular

del

braz

olo

dete

cta,

yse

loco

mun

ica

alsu

-pe

rvis

orpa

raqu

een

tre

enm

odo

defa

-llo

.Si

por

elco

ntra

rio,

sesu

elta

laar

-ti

cula

cion

del

eje

del

mot

or,

dem

aner

aqu

ees

teul

tim

ogi

ralib

rem

ente

,el

su-

perv

isor

dete

cta

una

inco

here

ncia

entr

ela

posi

cion

del

braz

oy

lale

ctur

ade

los

codi

ficad

ores

dela

mun

eca,

por

loqu

een

tra

enm

odo

defa

llo.

Sigu

e...

115

5 Implantacion

Tab

la5.

2.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lbr

azo

serv

ocon

trol

ado

(con

tinu

acio

n).

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

Fallo

enel

actu

ador

,re

duct

oro

tran

smis

ion

dela

ar-

ticu

laci

onpr

ism

atic

a.

La

arti

cula

cion

pris

mat

ica

de-

jade

mov

erse

.Si

adem

asse

desp

rend

ela

tran

smis

ion

que

laun

eco

nel

ac-

tuad

or,

elbr

azo

caer

ale

nta-

men

te.

La

caıd

ale

nta

del

braz

opu

ede

empu

-ja

rla

opti

caha

cia

elin

teri

orde

lcue

r-po

del

paci

ente

,o

bien

que

ha-

gapa

lanc

aen

elfu

lcro

.E

sta

ulti

-m

asi

tuac

ion

pose

em

enor

ries

gode

lesi

on.

2

Siqu

eda

trab

ada,

parp

adea

lalu

zro

jade

fallo

crıt

ico.

Siqu

eda

suel

tase

obse

rva

laca

ıda

lent

ade

lbr

azo.

Sila

arti

cula

cion

qued

atr

abad

a,la

elec

-tr

onic

ade

cont

rol

arti

cula

rde

lbr

azo

lode

tect

a,y

selo

com

unic

aal

supe

rvi-

sor

para

que

entr

een

mod

ode

fallo

.Si

por

elco

ntra

rio,

sesu

elta

laar

ticu

laci

onpr

ism

atic

a,ca

ele

ntam

ente

sin

que

lode

-te

cte

elsu

perv

isor

.P

ara

hace

rla

caıd

ale

nta,

seha

usad

oun

mon

ocar

ril

deun

paso

elev

ado

ensu

torn

illo.

Con

esto

sepr

eten

deda

rti

empo

alas

iste

nte

para

que

suje

teel

braz

o.A

sim

ism

o,el

eje

dees

tedi

spos

itiv

ose

encu

entr

are

forz

ado

para

hace

rm

asro

bust

ala

unio

n.

Sigu

e...

116


Tab

la5.

2.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lbr

azo

serv

ocon

trol

ado

(con

tinu

acio

n).

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

Fallo

enal

-gu

node

los

codi

ficad

ores

depo

sici

onde

los

tres

actu

a-do

res,

yase

anpo

rm

otiv

osm

ecan

icos

oel

ectr

onic

os.

El

braz

oco

mie

n-za

aej

ecut

arun

atr

ayec

tori

aer

rone

a.

La

opti

case

mue

vede

ntro

del

ab-

dom

enpo

run

reco

rrid

odi

stin

toal

espe

rado

.Pod

rıa

toca

run

avı

scer

a.

1

Par

pade

ala

luz

roja

defa

llocr

ıtic

o.

Elc

ontr

olar

ticu

lar

delb

razo

dete

cta

unac

umul

oan

orm

alde

erro

rde

posi

cion

enla

arti

cula

cion

afec

tada

alin

tent

arej

e-cu

tar

latr

ayec

tori

a.D

etie

nela

arti

cu-

laci

onaf

ecta

da,

yse

loin

dica

alsu

per-

viso

rpa

raqu

een

tre

enm

odo

defa

llo.

Fallo

enal

gun

cont

rola

dor

arti

cula

rde

lbr

azo.

El

braz

oco

mie

n-za

aej

ecut

arun

atr

ayec

tori

aer

rone

a.

La

opti

case

mue

vede

ntro

del

ab-

dom

enpo

run

reco

rrid

odi

stin

toal

espe

rado

.P

eli-

gro

deto

car

una

vısc

era.

1

Par

pade

ala

luz

roja

defa

llocr

ıtic

o.

El

cont

rola

dor

corr

espo

ndie

nte

noco

n-te

sta

dela

form

aad

ecua

daal

supe

rvis

or,

este

entr

aen

mod

ode

fallo

yde

sact

iva

lapo

tenc

iade

los

mot

ores

.

117

5 Implantacion

Tab

la5.

3.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lam

unec

apa

siva

.

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

Fallo

enlo

sco

dific

ador

esde

posi

cion

.

El

braz

ose

r-vo

cont

rola

dore

corr

ela

tray

ec-

tori

apr

ogra

ma-

da,

pero

pier

depr

ecis

ion

enel

posi

cion

amie

nto

final

dela

opti

ca.

La

opti

case

mue

vede

ntro

del

ab-

dom

enpo

run

reco

rrid

oal

godi

s-ti

nto

ales

pera

do.

Exi

ste

una

rem

ota

posi

bilid

adde

toca

run

avı

scer

a.

1

Par

pade

ala

luz

roja

defa

llocr

ıtic

o.

El

supe

rvis

orre

aliz

ala

lect

ura

delo

sco

dific

ador

esde

lam

unec

aen

cada

ci-

clo

deco

ntro

l.Si

dete

cta

una

lect

ura

inad

ecua

daen

trar

aen

mod

ode

fallo

yde

tend

rael

mov

imie

nto

del

braz

oar

tic-

ulad

o.

Rot

ura

enel

agar

rede

laop

tica

.

La

opti

case

desp

rend

ede

lag

arre

dela

mun

eca.

La

opti

caca

eso

-br

eel

paci

ente

sin

pene

trar

mas

enel

abdo

men

.

0

El

ciru

jano

obse

rva

com

oca

ela

cam

ara.

El

agar

rede

laca

mar

aes

taco

nstr

uido

con

los

mat

eria

les

adec

uado

spa

raha

cer

muy

impr

obab

lees

teti

pode

rotu

ra.

118


Tab

la5.

4.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lsu

perv

isor

.

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

Blo

queo

del

firm

war

e.N

oen

vıa

cons

ig-

nas

dem

ovim

ien-

toal

braz

ose

rvo-

cont

rola

doy

este

sepa

ra.

Ren

dim

ient

oin

adec

uado

,si

nri

esgo

para

elpa

cien

te.

0

El

bra-

zoqu

eda

inm

ovil.

Al

falla

rel

firm

war

e,se

impo

sibi

lita

elen

vıo

deco

nsig

nas

dem

ovim

ient

o,co

nlo

que

elbr

azo

qued

ain

mov

il.

Env

ıode

una

cons

igna

inad

ecua

dade

mov

imie

nto.

El

braz

ose

rvo-

cont

rola

dono

sem

ueve

com

oes

ta-

bapr

evis

to

La

opti

case

mue

vede

ntro

del

ab-

dom

enpo

run

reco

rrid

odi

stin

toal

espe

rado

.P

eli-

gro

deto

car

una

vısc

era.

1

El

mov

i-m

ient

ono

resp

onde

alo

espe

rado

El

supe

rvis

orde

spue

sde

calc

ular

las

cons

igna

sde

mov

imie

nto,

com

prue

baqu

ese

encu

entr

ende

ntro

del

espa

cio

detr

abaj

ope

rmit

ido

yqu

ela

dive

rgen

cia

con

lare

fere

ncia

ante

rior

sem

anti

ene

dent

rode

cier

tora

ngo.

Fallo

hard

-war

ede

lsu

perv

isor

.

No

envı

aco

nsig

-na

sde

mov

imie

n-to

albr

azo

serv

o-co

ntro

lado

yes

tese

para

.

Ren

dim

ient

oin

adec

uado

,si

nri

esgo

para

elpa

cien

te.

1

El

bra-

zoqu

eda

inm

ovil.

Ele

nvıo

dela

sco

nsig

nas

dem

ovim

ient

oal

braz

ose

rvoc

ontrol

ado

impl

ica

unin

-te

rcam

bio

deco

man

dos

que

nose

pued

epr

oduc

iren

elsu

pues

tode

fallo

enel

hard

war

e.

119

5 Implantacion

Tab

la5.

5.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lain

terf

azde

com

unic

acio

n.

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

El

reco

noce

-do

rde

voz

nore

cono

cela

orde

nem

i-ti

dapo

rel

ciru

jano

.

El

braz

ose

rvo-

cont

rola

dono

sem

ueve

,al

noen

viar

sela

orde

nde

mov

i-m

ient

oba

sica

alsu

perv

isor

.

Ren

dim

ient

oin

adec

uado

,si

nri

esgo

para

elpa

cien

te.

0

Por

los

casc

osse

avis

aqu

eel

com

ando

noha

sido

reco

noci

do.

El

sist

ema

pide

que

sere

pita

laor

-de

n.A

sim

ism

o,pa

rafa

cilit

arel

re-

cono

cim

ient

oel

sist

ema

seen

tren

aco

nla

voz

dela

pers

ona

que

lout

iliza

.Si

nore

cono

cela

orde

n,si

mpl

emen

teno

laco

nsid

era.

El

reco

noce

-do

rde

voz

inte

rpre

taun

aor

den

erro

nea.

El

braz

ose

rvo-

cont

rola

doej

e-cu

taun

aor

den

dem

ovim

ient

oba

sica

dife

rent

ea

laso

licit

ada.

Ren

dim

ient

oin

adec

uado

,si

nri

esgo

para

elpa

cien

te.

0

Por

los

casc

osel

sist

ema

repi

tela

or-

den

que

hare

cono

cido

.

Est

efa

llono

impl

ica

pelig

ro,y

elsu

per-

viso

rvi

gila

que

laop

tica

seen

cuen

tra

dent

rode

lazo

nade

trab

ajo

perm

itid

a.

Sigu

e...

120


Tab

la5.

5.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lain

terf

azde

com

unic

acio

n(c

onti

nuac

ion)

.

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

No

rece

pcio

nde

laco

nfir-

mac

ion

dela

orde

nha

blad

apo

rfa

lloha

rd-

war

e.

El

braz

ose

rvo-

cont

rola

dofu

n-ci

ona

dela

form

aes

pera

da,

solo

que

nose

obti

ene

una

confi

rmac

ion

dela

orde

npr

e-vi

aa

laej

ecuc

ion

del

mov

imie

nto

basi

co.

Ren

dim

ient

oin

adec

uado

,si

nri

esgo

para

elpa

cien

te.

0

No

seoy

ena

dapo

rlo

sca

scos

yel

braz

ose

mue

veco

rrec

ta-

men

te.

Est

efa

llono

impl

ica

pelig

ropa

rael

pa-

cien

te.P

orot

rola

do,e

lcir

ujan

oad

vier

teel

mov

imie

nto

corr

ecto

delbr

azo

serv

o-co

ntro

lado

,con

loqu

eno

esne

cesa

ria

lare

aliz

acio

nde

ning

una

acci

onde

cont

rol

para

min

imiz

arel

ries

go.

Sigu

e...

121

5 Implantacion

Tab

la5.

5.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lain

terf

azde

com

unic

acio

n(c

onti

nuac

ion)

.

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

Rot

ura

deal

gun

com

-po

nent

eel

ectr

onic

ode

ljo

ystick

.

Uno

ova

rios

cana

les

desa

li-da

del

joys

tick

qued

anen

unes

tado

inde

ter-

min

ado,

que

pued

ese

rin

ter-

pret

ado

com

oun

aco

nsig

nade

mov

imie

nto.

La

opti

case

mue

vede

ntro

del

ab-

dom

enco

nel

pelig

rode

toca

run

avı

scer

a.

2

El

braz

ose

mue

veco

ntin

ua-

men

teen

una

dire

c-ci

onda

da,

ape

sar

deno

habe

rin

trod

ucid

oni

ngun

aor

den

dem

ovim

ien-

to.

Seap

lican

los

sigu

ient

esco

ntro

les

para

min

imiz

arel

ries

go:

i)U

naor

den

intr

o-du

cida

por

eljo

ystick

tien

eun

desp

laza

-m

ient

om

axim

o,ii)

nose

ejec

utan

los

mov

imie

ntos

que

qued

anfu

era

del

cam

-po

detr

abaj

oes

tabl

ecid

o,y

iii)

elsu

-pe

rvis

orde

tect

ala

sle

ctur

asde

ljoy

stic

kfu

era

dera

ngo

yla

sig

nora

.

Sigu

e...

122


Tab

la5.

5.:

Ana

lisis

enm

odo

defa

llode

lain

terf

azde

com

unic

acio

n(c

onti

nuac

ion)

.

Mod

ode

fallo

Efe

ctos

Pos

ible

spe

ligro

sI.

Rie

sgo

Det

ecci

onC

ontr

oles

aplic

ados

No

emis

ion

dela

orde

nde

mov

imie

n-to

por

fallo

hard

war

e.

El

braz

ose

rvo-

cont

rola

dono

sem

ueve

,al

noen

viar

sela

orde

nde

mov

i-m

ient

oba

sica

alsu

perv

isor

Ren

dim

ient

oin

adec

uado

,si

nri

esgo

para

elpa

cien

te.

0

El

braz

ose

rvoc

on-

trol

ado

nose

mue

ve.

Est

efa

llono

impl

ica

pelig

ro,

yno

seac

tua

deni

ngun

afo

rma.

123

5 Implantacion

5.4. Calculo del factor de transformacion

En el capıtulo 3 se expuso la importancia de la eleccion de la constantede tiempo τ de la expresion 3.7 para el adecuado funcionamiento del sistemade control. Con un valor inapropiado de esta variable se podrıan saturar losactuadores y por tanto las trayectorias generadas por el controlador no se eje-cutarıan de forma correcta. Tambien se establecio como a traves de la eleccionde un factor de transformacion mınimo, ψmın, se obtiene la velocidad carte-siana maxima que debe imponerse al sistema, y con la cual se puede calcularel valor de la constante de tiempo. A continuacion se expone el procedimientoque se ha seguido para la obtencion del mencionado factor de transformacion.

Para el calculo del factor de transformacion ψ propuesto en el apartado3.5, y teniendo en cuenta la configuracion PRR del robot Erm, el problemase ha dividido en dos partes: por un lado, se ha considerado el movimientoen el eje z (articulacion prismatica) y por otro, se ha estudiado el plano xy.Ambos movimientos estan desacoplados, y sus velocidades se definen a travesde las siguientes expresiones:

(x

y

)= J(θ2, θ3)

(θ2

θ3

)(5.2)

z = d1 (5.3)

De esta forma, las velocidades cartesianas en los ejes x e y dependenexclusivamente de las variables articulares de posicion y velocidad de la se-gunda y tercera articulacion, a traves del jacobiano J(θ2, θ3). La velocidad enel eje z es directamente la velocidad de la primera variable articular.

El calculo del factor de transformacion ψ pretende aportar la relacionentre la velocidad maxima que desarrollan los motores y su correspondientevelocidad cartesiana. Sin embargo, los motores poseen sendas reductoras yla articulacion prismatica se encuentra basada en un desplazador lineal. Es-ta circunstancia se modela a traves de la siguiente expresion matricial querelaciona el vector de valores articulares, ( d1 θ2 θ3 )T , con los valores delactuador, ( θ1a θ2a θ3a )T :

124

5.4 Calculo del factor de transformacion

d1

θ2

θ3

=

p

2πk 0 00 1

k 00 0 1

k

θ1a

θ2a

θ3a

(5.4)

donde p es el paso del desplazador lineal (igual a 20 mm. por revolucion)y k es la reduccion de los motores (111:1).

A la vista de la expresion 5.4, el factor de transformacion para el eje z,ψz , queda:

ψz =p

2πk=

10111π

= 0,029 (5.5)

Por otro lado, para calcular el mınimo factor de transformacion en elplano xy, se ha seguido la metodologıa propuesta en el apartado 3.5.

En la figura 5.5 se muestra el espacio de trabajo de la tarea laparoscopi-ca para un punto de insercion determinado. Sin embargo, como tan solo seconoce una estimacion de dicho punto y ademas este punto es diferente paracada caso, se realiza un estudio del espacio de trabajo completo, mostradotambien en la figura mencionada.

En este estudio se han eliminado las zonas del espacio de trabajo cer-canas a las singularidades, debido a que en el funcionamiento habitual delmanipulador se han evitado dichas posiciones. De esta forma, se ha calculadoel factor de transformacion ψxy para los siguientes valores:

−90o < θ2 < 90o

−170o < θ3 < −5o; 5o < θ3 < 170o(5.6)

El resultado se refleja en la grafica de la figura 5.6, que muestra laevolucion del semieje menor de la elipse para cada configuracion articulardentro del espacio de trabajo.

En la mencionada figura se observa que el factor de transformacionψxy no depende de θ2, y el mınimo valor que toma, 0,17, resulta superior alobtenido para el eje z. De esta forma, el mınimo factor de transformacion parael espacio de trabajo considerado se define mediante la siguiente expresion:

125

5 Implantacion

Figura 5.5.: Espacio de trabajo del robot Erm.

ψmın = mın(ψz, ψxy) = ψz (5.7)

Si se toma el factor mınimo del manipulador ψmin, junto a la velocidadmaxima de los motores θa max, se calcula la velocidad cartesiana maxima vmax

segun la expresion:

vmax = ψmınθa max = 3,04m/s (5.8)

Y por tanto, segun la expresion 3.36 se calcula, a partir del valorobtenido de vmax, el valor de la constante de tiempo τ requerido para recorreruna longitud de arco l determinada y que no sature a los actuadores.

126

5.5 Diseno Software

Figura 5.6.: Semieje menor de la elipse de manipulabilidad para el plano xy.

5.5. Diseno Software

El esquema de control de movimiento descrito en el capıtulo anteriorse ha implantado en el microcontrolador de la arquitectura del sistema Erm,presentada en el apendice B, a traves de tecnicas de ingenierıa de software(mediante el Lenguaje de Modelado Unificado UML (Jacobson et al., 1999))y de programacion orientada a objetos. El empleo de estas tecnicas agilizael analisis de las especificaciones del sistema y simplifica el diseno softwaree implantacion del mismo. Asimismo, el uso de la programacion orientada aobjetos permite la reutilizacion del codigo y facilita las futuras modificaciones,consiguiendo que sea mas robusto. Sin embargo, la aplicacion de programacionorientada a objetos en microcontroladores ha presentado principalmente uninconveniente: la carencia de un sistema operativo en el microcontroladorhace complicada la gestion dinamica de la memoria. Esto se ha resuelto conla declaracion estatica de los objetos mediante C++. Debido a que todas las

127

5 Implantacion

clases poseen multiplicidad 1, se ha empleado el patron de diseno singleton(Eckel, 2000), de manera que se consigue una y solo una instancia de unobjeto.

La figura 5.7 muestra el Diagrama UML simplificado del sistema de-sarrollado. Se ha realizado un esquema de programacion basada en eventosque se producen por la activacion de las diferentes interrupciones que posee elmicrocontrolador. La clase activa encargada de la gestion de las mencionadasinterrupciones es GestorInt, marcada en negrita en la figura mencionada. Es-ta clase contiene los manejadores de las interrupciones, los cuales realizan lasllamadas a los metodos de las restantes clases para comenzar la ejecucion deuna de las dos funciones del sistema: control o interfaz de usuario.

El algoritmo de control de trayectorias, propuesto en el capıtulo ante-rior, queda implantado en las clases Esferico, TareaMovEsferico y Sistema-Coordenadas. El objeto TareaMovEsferico se activa de forma periodica porGestorInt y su funcion consiste en el calculo del siguiente punto de la trayecto-ria para enviarlo al sistema de control a traves de la clase SistemaCoordenadas,encerradas en el cuadro punteado superior de la figura. La comunicacion conlos PIDs a bajo nivel queda implantada en las clases PID y Control. Las clasesJoystick, PuertoSerie y LED son las encargadas de manejar los correspondien-tes interfaces de usuario. En concreto, la interfaz de voz y las comunicacionescon un PC se implantan en la clase PuertoSerie, la cual contiene un bufferde salida (clase Buffer). La clase Error se encarga de gestionar los erroresque puedan ocurrir en el sistema y los almacena en un buffer para que seanenviados posteriormente a traves del puerto serie.

5.6. Experimentos

Una vez implantado el sistema de control propuesto en el asistenterobotico Erm, se han efectuado una serie de experimentos de laboratorio sobresimuladores de paciente. El objetivo de estos experimentos se ha centrado enla verificacion del metodo adaptativo disenado y propuesto en el apartado 3.3.Asimismo, tambien se ha realizado una comparacion del estimador geometricopropuesto en el capıtulo 3 frente al metodo convencional de estimacion demınimos cuadrados recurrentes, tambien planteado en el mencionado capıtulo,

128

5.6 Experimentos

Figura 5.7.: Diagrama de clases UML simplificado.

129

5 Implantacion

para el calculo de la distancia exterior ρ.

La figura 5.8 muestra la respuesta temporal del robot ante un movimien-to que modifica la elevacion, β, desde −48, 1o hasta −43, 1o. Los parametrosdel controlador se han establecido para alcanzar la referencia en 3 segundos.Se han realizado diversos experimentos que han mostrado que una constantede tiempo τ de 0, 6 es suficientemente comoda para los cirujanos, y ademasno supera las restricciones de saturacion impuestas en el apartado 3.5.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9-49

-48

-47

-46

-45

-44

-43

-42

-41

Ang

ulo

de a

ltitu

d (g

rado

s)

Tiempo (segundos)

Trayectoria real de βTrayectoria deseada de βTrayectoria requerida de β

Figura 5.8.: Respuesta temporal para alcanzar una consigna deseada en elangulo de altitud β.

Asimismo, en la mencionada figura, la trayectoria esferica deseada, enlınea discontinua, es la referencia a alcanzar, y ha sido generada a traves deuna interpolacion trapezoidal para alcanzar el punto de altitud objetivo apartir de la posicion inicial de la camara. Dicha trayectoria es la entrada delcontrolador adaptativo PI propuesto, que genera la trayectoria requerida para

130

5.6 Experimentos

alcanzar dicha referencia (vease la figura 3.8). Este calculo se realiza graciasa la realimentacion de la orientacion y la altitud real de la optica a travesde los sensores angulares montados en la muneca pasiva. En la figura 5.8 latrayectoria requerida para β aparece en lınea punteada y discontinua.

Por ultimo la lınea continua muestra la trayectoria real de β, obtenidaa traves de la lectura de los encoders angulares situados en la muneca pasiva.Como se puede observar, esta ultima trayectoria sigue a la trayectoria deseaday alcanza el valor de β objetivo en estado estacionario. Por tanto, el contro-lador adaptativo PI elimina el error de altitud a pesar del error cometido enla estimacion de la distancia exterior (50 mm en este caso particular).

La figura 5.9 representa el valor que toma la coordenada α cuandose lleva a cabo el movimiento de altitud descrito. Se puede apreciar que,al principio del movimiento, dicha coordenada sobreoscila (con una amplitudmaxima de 0, 6o). Esto es debido a imprecisiones mecanicas y a la resolucion delos encoders. Sin embargo, el controlador disenado compensa dicha oscilaciony al final, la coordenada de orientacion mantiene su valor de referencia.

El estimador geometrico descrito en el apartado 3.4 aproxima el valorde la distancia exterior, utilizando el valor requerido en la trayectoria deβ y el valor real de dicha variable, obtenido por realimentacion durante elmovimiento realizado. La figura 5.10 muestra el funcionamiento del estimadorpropuesto (lınea punteada y discontinua) en comparacion con los resultadosobtenidos mediante el estimador por mınimos cuadrados recurrentes (lıneadiscontinua). El estimador geometrico proporciona una mayor precision dela distancia exterior que el metodo por mınimos cuadrados, aunque produceuna sobreoscilacion mayor al comienzo del movimiento.

Un factor importante a considerar es que el metodo geometrico es masvulnerable a ruidos que pudieran producirse en las medidas de las variablesesfericas de orientacion, α, y de altitud, β, debido fundamentalmente a que setrata de un metodo no recurrente que no aprovecha la informacion obtenidaen la estimacion anterior. De hecho, al comparar estos metodos utilizandosensores de posicion con menor resolucion, se obtienen resultados diferentes,observandose un mejor comportamiento del estimador por mınimos cuadra-dos.

131

5 Implantacion

0 1 2 3 4 5 6 7 8 993.5

93.6

93.7

93.8

93.9

94

94.1

94.2

94.3

94.4

94.5

Ang

ulo

de o

rient

acio

n (g

rado

s)

Tiempo (segundos)

Trayectoria real de αTrayectoria deseada de αTrayectoria requerida de α

Figura 5.9.: Evolucion de la coordenada de orientacion α en un movimientoque modifica la altitud.

De todos modos, ninguno de los dos metodos pueden proporcionar unvalor aceptable de la distancia exterior hasta que transcurran unos segundos.Debido a esta circunstancia, tan solo se proporciona un nuevo valor de dichamagnitud al controlador PI y al generador de trayectorias cuando se aseguraque la estimacion de la distancia exterior ha alcanzado un valor estable.

5.7. Conclusiones

En este capıtulo se han verificado los desarrollos teoricos expuestos encapıtulos anteriores, para lo que se ha hecho uso del sistema robotico Erm.Este sistema ha sido disenado y construido ıntegramente en la Universidad de

132

5.7 Conclusiones

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9200

250

300

350D

ista

ncia

ext

erio

r (m

m.)

Tiempo (segundos)

Estimador geométrico de ρDistancia exterior real ρEstimador de ρ por mínimos cuadrados

Figura 5.10.: Estimacion de la distancia exterior ρ.

Malaga con el proposito de servir como asistente en intervenciones de cirugıalaparoscopica.

Ası, el sistema de control propuesto en el capıtulo 3 se ha integradoen el microcontrolador de la arquitectura de control del sistema. Asimismo,se ha particularizado el ajuste de los parametros del mencionado esquemade control, estableciendose un factor lımite de transformacion de velocidadesarticulares a cartesianas adecuado para no saturar los actuadores dispuestosen el robot.

Por otro lado, se ha realizado una descomposicion funcional del sistemapara poder aplicar un analisis de riesgos FMEA. De esta manera, a cada unode los modulos funcionales se le ha realizado un analisis exhaustivo para obte-ner los modos de fallo que pudieran aparecer. Estos modos de fallo conllevanun efecto en el sistema que ocasionan unos determinados peligros. En funcion

133

5 Implantacion

de la gravedad de dichos peligros, se han aplicado unas medidas correctivaspara asegurar que la utilizacion del dispositivo sea tan segura como cabeesperar en una aplicacion tan delicada como es una intervencion quirurgica.

Por ultimo se han realizado una serie de experimentos sobre simuladoresde pacientes para comprobar la precision del sistema de control implantado.Los resultados obtenidos demuestran que el sistema de control elimina loserrores de orientacion y de altitud que aparecen por la incertidumbre de ladistancia entre la camara laparoscopica y el punto de insercion de la opticaen el abdomen del paciente.

Asimismo, se ha establecido una comparacion entre los metodos pro-puestos para la estimacion de la distancia mencionada: estimacion por mıni-mos cuadrados recurrentes y metodo geometrico de estimacion. Los resultadosindican que el metodo geometrico presenta una mayor exactitud en la esti-macion, a pesar de que es mas vulnerable al ruido de los encoders, por tratarsede un metodo no recurrente.

134

6. Experimentos

6.1. Introduccion

Un aspecto diferenciador de la robotica quirurgica con respecto a otrasaplicaciones lo marca el tipo de experimentacion. Si, en general, se admiteque solo realizando experimentos reales se obtienen los datos necesarios paravalidar un sistema, un algoritmo o una tecnica, en el caso de las aplicacionesquirurgicas se llega a la conclusion de que es preciso realizar ensayos conseres humanos en cirugıa real. Esto implica que un prototipo debe sometersea todas las pruebas y requisitos que las autoridades sanitarias exigen paraautorizar la realizacion de ensayos clınicos, regulados en Espana a traves delos Reales Decretos 414 (RD 414/1996, 1996) y 561 (RD 561/1993, 1993).

De esta forma, para poder introducir el sistema Erm dentro de unquirofano y realizar intervenciones quirurgicas para la obtencion de resultadosreales, han sido necesarios dos pasos fundamentales que se tratan en estecapıtulo.

En primer lugar el sistema robotico debe obtener un certificado de con-formidad sobre una serie de ensayos de compatibilidad electromagnetica yseguridad, indispensables para cumplir los requisitos de los aparatos elec-tromedicos. Todos estos ensayos se enumeran en el apartado segundo delcapıtulo.

Por otro lado, es necesaria la elaboracion de un protocolo clınico quedescriba los ensayos clınicos a realizar y los datos que se van a obtener delmismo. Concretamente, dicho protocolo se ha centrado en la realizacion deintervenciones de colecistectomıa. En el apartado tercero del capıtulo se des-cribe con detalle todo el ensayo clınico realizado, desde lo referente al procesopropiamente dicho, hasta la seleccion de sujetos, los acontecimientos adversos

135

6 Experimentos

que pueden presentarse, y la recogida de datos prevista.

Una vez establecido el procedimiento, se aportan los datos registradosdurante las intervenciones realizadas y se concretan las conclusiones que sehan obtenido de los mismos en lo referente a la eficiencia del sistema propuestoa la hora de sustituir a un asistente humano en el manejo de la camaralaparoscopica.

6.2. Requisitos generales para la seguridad en equipos

electromedicos

El sistema Erm es un prototipo experimental, y como tal, segun es-tablece el Real Decreto 414 por el que se regulan los aparatos sanitarios (RD414/1996, 1996), no necesita la obtencion del marcado CE para su utilizacionen investigaciones clınicas. Segun la citada norma, solo es necesario cumplircon la norma UNE-EN 60601-1/1993 correspondiente a los requisitos genera-les para la seguridad en equipos electromedicos para sistemas de su clase.

El sistema estudiado se configura como un dispositivo no invasivo (nopenetra ni parcial ni completamente en el interior del cuerpo del paciente) ycomo un producto activo para diagnostico. Un producto activo se define comoaquel cuyo funcionamiento depende de una fuente de energıa electrica, o decualquier fuente de energıa distinta a la generada directamente por el cuerpo opor gravedad, y que actue mediante conversion de dicha energıa. Por otro lado,un producto activo para diagnostico es cualquier producto sanitario destinadoa proporcionar informacion para la deteccion, el diagnostico, el control o eltratamiento de estados fisiologicos, de estados de salud, de enfermedades o demalformaciones congenitas.

Segun el anexo IX del citado Real Decreto, en funcion de esta ulti-ma definicion, el robot Erm se encuadra dentro de la clase I. Sin embargo,considerando que el dispositivo esta conectado a una camara laparoscopica,clasificada como IIa, y en virtud de la regla 2a del mencionado anexo, el robotErm obtendrıa tambien la clasificacion IIa.

De esta forma, en los siguientes subapartados se detallan los ensayos alos que ha sido sometido el posicionador automatico de camara laparoscopi-

136

6.2 Requisitos generales para la seguridad en equiposelectromedicos

ca. Todos estos ensayos han sido realizados por una empresa acreditada porla Entidad Nacional de Acreditacion (ENAC ), para los ensayos indicadosen el Certificado No 51/LE203, y por el Ministerio de Sanidad y Consumopara emitir las certificaciones necesarias para la aplicacion de la Directiva93/42/CEE, sobre Productos Sanitarios, segun lo indicado en la autorizacionNo 93/LE/01.

6.2.1. Compatibilidad electromagnetica

Los ensayos de compatibilidad a que hacen referencia este apartadopretenden constatar la capacidad de un equipo o sistema para funcionar sa-tisfactoriamente en su entorno electromagnetico sin introducir perturbacioneselectromagneticas intolerables sobre todo aquello que se encuentre en dichoentorno.

Para cumplir este objetivo es necesario comprobar tanto la emisionelectromagnetica, como la inmunidad frente a perturbaciones de este tipo.Emision se define como el fenomeno por el cual una fuente emana energıaelectromagnetica al exterior, mientras que inmunidad se refiere a la capacidaddel equipo de funcionar sin degradacion ante la presencia de una perturbacionde la mencionada clase.

De esta manera, los ensayos de compatibilidad a los que ha sido someti-do el dispositivo se citan a continuacion:

1. Ensayos de medida de la emision electromagnetica.

Emision radiada.

2. Medida del campo perturbador radiado. Ensayos de medida de la inmu-nidad electromagnetica:

Inmunidad frente a descargas electrostaticas.

Inmunidad radiada frente a campos de radiofrecuencia.

Inmunidad radiada frente a campo magnetico de 50 Hz.

137

6 Experimentos

Los resultados muestran que el posicionador esta conforme con las nor-mas y documentos: EN 60601-1-2 (2001), EN 55011 (1998), EN 55011/ A1(1999), EN 61000-4-2 (1995), EN 61000-4-3 (1995) y EN 61000-4-8 (1993).

6.2.2. Seguridad en equipos electromedicos

La seguridad, que es un requerimiento importante en cualquier sistema,pasa a ser totalmente prioritaria en las aplicaciones medicas. Por ello es nece-saria la certificacion de que el equipo puede transportarse, almacenarse, man-tenerse y hacerse funcionar en un modo de utilizacion normal sin que seproduzcan riesgos de seguridad que pudiesen ser razonablemente previstos yque no tengan relacion con su aplicacion.

En este sentido se han realizado ensayos referentes a riesgos mecanicos(resistencia mecanica, partes moviles, superficies, esquinas, aristas, estabili-dad, . . . ), la influencia de las condiciones ambientales en su transporte y fun-cionamiento, proteccion contra los riesgos de descargas electricas (evaluandola potencia de entrada, puesta a tierra, corrientes de fuga, . . . ), proteccioncontra temperaturas excesivas. Asimismo, tambien se han revisado ciertosrequisitos de construccion en relacion con las cubiertas del equipo, el sistemade alimentacion, la toma a tierra de proteccion, las conexiones existentes enel sistema, entre otros.

De este modo, el sistema ERM ha sido sometido a los ensayos de seguri-dad general y seguridad electrica a los hace referencia la norma EN 60601-1(1990), EN 60601-1/A1 (1993), EN 60601-1/A11 (1993), EN 60601-1/A12(1993), EN 60601-1/A2 (1995), EN 60601-1/A13 (1996).

Para ello el sistema se ha encuadrado dentro de la siguiente clasificacion:

Equipo movil: se destina a ser trasladado entre periodos de utilizaciony se sustenta sobre sus propias ruedas.

Equipo de funcionamiento continuo: puede funcionar por un tiempoilimitado sin que se excedan los lımites de elevacion de temperatura.

Clase I segun el grado de proteccion contra choque electrico: incluyeuna medida de seguridad adicional consistente en el conexionado del

138

6.3 Protocolo clınico

equipo al conductor de proteccion a tierra.

Sin parte aplicable desde el punto de vista de la proteccion contradescargas electricas: no incluye ningun elemento que entre en contactodirecto con el paciente.

6.3. Protocolo clınico

Segun indica el Real Decreto 414 (RD 414/1996, 1996) los productossanitarios destinados a investigacion clınica, como es el caso del sistema Erm

solo podran ser puestos a disposicion clınica si esta investigacion cuenta con eldictamen favorable del Comite Etico de Investigacion Clınica correspondiente.Precisamente para ello se ha realizado un protocolo clınico que define lascaracterısticas del ensayo clınico y cuyos aspectos mas relevantes se exponena continuacion.

6.3.1. Descripcion del ensayo clınico

Debido a que la colecistectomıa laparoscopica ha demostrado hoy porhoy, ser el gold estandar en el tratamiento de la colelitiasis en cirugıa humanay siendo la experiencia del equipo quirurgico del Profesor Vara, responsablede la ejecucion de los ensayos clınicos realizados, muy amplia en este cam-po (pionero en la introduccion de la tecnica en nuestro paıs en hospitalespublicos), se ha empleado el portador de la camara de vıdeo laparoscopica enpacientes con dicha patologıa.

Se ha realizado una colecistectomıa laparoscopica en dos grupos de en-fermos. En el primero de ellos la camara ha sido sostenida por el ayudantecon la tecnica habitual (cirugıa laparoscopica convencional), mientras que enel segundo grupo, ha sido el portador robotico disenado el que maneja lacamara. Se han recogido diferentes datos objetivos como el tiempo invertidoen la realizacion de la intervencion, el numero de veces que ha sido necesariala limpieza de la optica, etc. y otros datos subjetivos como el cansancio delcirujano, la vision, etc. Una relacion mas detallada de los distintos tipos dedatos se expone mas adelante.

139

6 Experimentos

6.3.2. Seleccion de sujetos

El ensayo se ha realizado con pacientes afectados de colelitiasis sin-tomatica simple de entre los que verifican los siguientes requisitos:

1. Pacientes de entre 30 y 65 anos.

2. Que padezcan colelitiasis sintomatica sin antecedentes de colecistitis ysin coledocolitiasis.

3. Han sido clasificados por el servicio de Anestesia del hospital, comoASA I y II (mınimo riesgo anestesico).

4. Tienen un ındice de masa corporal (IMC ) < 30.

La seleccion y la asignacion de los pacientes a cada uno de los gruposse ha realizado de forma secuencial y de la siguiente manera:

Los pacientes se asignaran a cada uno de los dos grupos (intervencioncon asistente humano o con asistente robotico) de modo aleatorio, es decir,con probabilidad 0,5 hasta completar el tamano muestral mınimo requeridode dieciseis en cada grupo.

Para preservar el caracter aleatorio del procedimiento, aquellos pa-cientes asignados al grupo de intervencion con asistente robotico que no hanaceptado firmar una declaracion de conformidad sobre los aspectos eticos, hansido excluidos de la muestra, es decir no se han contabilizado en el grupo deintervencion clasica.

6.3.3. Procedimiento de utilizacion del asistente

Previa anestesia general con intubacion traqueal, se practica un neu-moperitoneo con aguja de Verres hasta alcanzar una presion intraabdominalde 12 mmHg. Se colocan cuatro trocares intraabdominales, tres de 10 mm. yuno de 5 mm. Por el trocar infraumbilical se introduce el laparoscopio, quepermite la vision del campo operatorio, mientras que los otros trocares sir-ven para la introduccion del instrumental quirurgico. Se diseca el Triangulode Calot, disecando y ligando la arteria y el conducto cısticos, se extirpa la

140


vesıcula biliar del lecho hepatico y se extrae a traves de una de las puertasde 10 mm. Una vez comprobada la hemostasia, se cierran las heridas de lostrocares con puntos de seda. Se puede comprobar tras la descripcion, que elprocedimiento quirurgico no difiere en nada del que se realiza de forma ruti-naria. La unica diferencia estriba en que en lugar de emplear un asistentehumano que sostenga la camara, utilizamos el asistente robotico.

6.3.4. Evaluacion de la respuesta

El objetivo principal que pretende alcanzar el sistema desarrollado secentra fundamentalmente en conseguir una mejora en la calidad de la inter-vencion quirurgica. Esta mejora se puede conseguir incidiendo en dos aspectosprincipales: en el tiempo necesario para realizar la intervencion, y en un en-torno mas favorable para el cirujano. Por tanto, la mision del ensayo clınicoque se propone es comparar la eficiencia del sistema robotico de asistenciaen laparoscopia con la de un ayudante humano estudiando estos dos aspectosmencionados.

El primero de ellos se puede cuantificar con facilidad, pues tan solo esnecesario recoger una serie de medidas objetivas durante la intervencion, tan-to para el caso del asistente humano, como para el caso del sistema robotico.Sin embargo, el segundo aspecto implica evaluar factores como la fatiga delcirujano o la comodidad para efectuar sus acciones. Estas variables consti-tuyen elementos importantes de comparacion pero que resultan muy difıcilesde estimar, debido a la naturaleza subjetiva de los mismos. No obstante, sehan previsto un pequeno cuestionario, para que el cirujano muestre su gradode conformidad con ambos metodos, y ası poder establecer la comparativa.

A continuacion se enumeran los datos objetivos y subjetivos que se hanrecogido para elaborar el estudio:

A. Datos objetivos

1. Tiempo de intervencion incluyendo y sin incluir el empleado parala colocacion del robot asistente.

2. Tiempo de estancia en el hospital.

141

6 Experimentos

3. Numero de veces que es necesario extraer la optica de la cavidadabdominal para su limpieza.

4. Numero de conversiones a cirugıa abierta y tiempo empleado enllevarla a cabo.

5. Tiempo empleado en el mantenimiento del robot, es decir en lalimpieza, la esterilizacion y la carga de baterıas del equipo.

B. Datos subjetivos

1. Comodidad del cirujano, medida en escala analogica del 1 al 5.

2. Fatigabilidad del cirujano (1 − 5).

3. Dolor de espalda (1 − 5).

4. Calidad de la imagen (1 − 5).

Todas estas medidas se han llevado a cabo en ambos grupos: pacientesintervenidos mediante tecnica laparoscopica y ayudante humano y pacientesintervenidos con tecnica laparoscopica pero con asistente robotico.

6.3.5. Acontecimientos Adversos

Las complicaciones de la cirugıa laparoscopica de la vesıcula biliar sonmınimas segun las grandes serie publicadas. La mortalidad, en la experien-cia de los miembros del grupo investigador es de 0 en un promedio de 3,000colecistectomıas laparoscopicas. Las posibles complicaciones seran estudiadasy recogidas segun la clasificacion del Prof. Troidl de la Universidad de Colo-nia, que se muestra a continuacion. De este modo se valoraran las posiblescomplicaciones de los pacientes durante la intervencion y las asociadas a losproblemas tecnicos relacionados con o sin el ayudante robotico.

1. Clase I. Ninguna complicacion tecnica, sin morbilidad para el paciente.

2. Clase II. Problemas quirurgicos-tecnicos, sin morbilidad para el pa-ciente.

a) Problemas tecnicos relacionados con el material de laparoscopiaconvencional (problemas que dificulten, prolonguen el tiempo ope-ratorio o impidan la realizacion de la intervencion):

142


1) Problemas con el monitor.

2) Problemas con el neumoinsuflador.

3) Problemas con la camara.

4) Problemas con la fuente de luz.

5) Rotura de instrumental quirurgico.

b) Problemas tecnicos relacionados con el uso del sistema automati-zado para control de camara(problemas que dificulten, prolonguenel tiempo operatorio o impidan la realizacion de la intervencion):

1) Dificultad en la fijacion de la camara a la optica.

2) Perdida de control por la voz.

3) Rotura de alguna pieza del sistema.

c) Problemas quirurgicos sin morbilidad asociada (problemas que di-ficulten, prolonguen el tiempo operatorio o impidan la realizacionde la intervencion):

1) Sangrado arterial o venoso del lecho hepatico.

2) Sangrado arterial o venoso de los orificios de los trocares.

3) Perforacion de la vesıcula.

4) Salida de calculos a la cavidad abdominal.

5) Necesidad de realizar una colangiografıa.

3. Clase III. Sin problemas quirurgicos-tecnicos, pero con morbilidad parael paciente.

a) Hematoma en alguna de las heridas quirurgicas.

b) Infeccion en alguna de las heridas quirurgicas o intraperitoneal(segun criterios establecidos por el comite de infecciones de la aso-ciacion espanola de cirujanos).

c) Eventracion.

d) Hemoperitoneo sin cumplir los criterios para ser considerada declase IV.

e) Coleccion biliar intraperitoneal.

f ) Fuga biliar.

g) Estenosis de la vıa biliar.

143

6 Experimentos

4. Clase IV. Problemas quirurgicos-tecnicos, con morbilidad para el pa-ciente.

a) Lesion vascular o sangrado intraperitoneal con necesidad de:

1) Convertir la intervencion a laparotomıa.

2) Administrar hemoderivados.

3) Reintervenir al paciente

b) Lesion intestinal con necesidad de:

1) Convertir la intervencion a laparotomıa.

2) Reintervenir al paciente.

c) Lesion de la vıa biliar descubierta durante la intervencion.

d) Litiasis de la vıa biliar principal.

5. Clase V. Morbilidad para el paciente relacionada con enfermedades aso-ciadas.

a) Hiperglucemia.

b) Hipertension arterial.

c) Reacciones alergicas.

d) Insuficiencia respiratoria.

e) Insuficiencia cardıaca.

f ) Otras menos frecuentes.

6. Clase VI. Muerte del paciente.

6.3.6. Aspectos eticos

Se ha dado informacion detallada a los sujetos del tipo de intervenciona la que se han visto sometido y de las particularidades del uso del asistentemecanico portador de la camara. Los datos medicos correspondientes a lossujetos son totalmente confidenciales y solo tienen acceso a ellos los cirujanosadscritos al estudio. Como es habitual y cumpliendo la normativa vigente seha solicitado el consentimiento informado a todos los pacientes, previo a laintervencion.

144

6.4 Datos registrados durante las intervenciones

En el apendice C se muestra el consentimiento informado propuesto porla Sociedad Espanola de Cirujanos para dicha intervencion, con las modifica-ciones pertinentes del B.O.E del 13 de Mayo de 1993, Real Decreto del 16 deAbril 1993, num 561/1993 (RD 561/1993, 1993).

6.4. Datos registrados durante las intervenciones

Una vez establecidas las condiciones de utilizacion, se han desarrolladolas intervenciones indicadas por el protocolo clınico, tanto las del grupo conasistente humano para mover la camara laparoscopica, como las del grupocon asistente robotico. La figura 6.1 muestra el robot Erm en el quirofanodurante el transcurso de las intervenciones.

En los dos grupos de pacientes intervenidos se han recogido los datosrequeridos: datos objetivos y datos subjetivos. Estos datos, ası como las con-clusiones obtenidas de su analisis y comparacion se detallan en los siguientessubapartados.

6.4.1. Datos Objetivos

El principal dato objetivo que se ha recogido, y que puede reflejar la efi-ciencia del sistema robotico en su tarea del manejo de la camara laparoscopicaes el tiempo de intervencion. Se define la duracion de la intervencion comoel intervalo de tiempo desde que se realiza la primera incision hasta que sefinaliza la ultima sutura.

Las graficas de la figura 6.2 muestran los historicos de dicho tiempopara cada una de las dos series de dieciseis enfermos realizadas. En el eje deordenadas de ambas graficas aparecen enumeradas las intervenciones realiza-das, y en sus ejes de abscisas la duracion de las intervenciones, expresadas enhoras. Ası, la grafica superior recoge la serie realizada de forma tradicional yla inferior la efectuada con el asistente robotico.

De la primera de las graficas se desprende que el valor medio de laduracion de las intervenciones con asistente humano es de 1, 198 horas, conuna desviacion estandar de 0, 29 horas. En el caso de la serie con robot, el

145

6 Experimentos

Figura 6.1.: El robot Erm durante las intervenciones realizadas.

valor medio de la duracion de la intervencion es de 1, 13 horas y la desviacionestandar de 0, 273 horas.

Observando las graficas y los datos obtenidos, el unico dato concluyenteque se puede establecer es que con el uso del robot no se empeora esta mag-nitud. De hecho en las dos series realizadas la desviacion estandar resultasimilar, mientras que con el uso del asistente robotico se mejora en cierta

146


Duración de la Intervención Quirúrgica con Asistente

Humano

00,20,40,60,81

1,21,41,61,82

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Intervención

Du

ració

n (

h)

Duración de la Intervención Quirúrgica con Asistente

Robótico

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Intervención

Du

ració

n (

h)

Figura 6.2.: Datos recogidos de la duracion de la intervencion en las dos series.

medida la media, ya que el tiempo de intervencion se rebaja en 4, 2 minutos.Asimismo se observa que los picos maximos y mınimos son inferiores en laserie realizada con el robot.

Sin embargo, y dado que cada intervencion es completamente diferente,y por tanto la duracion de la misma presenta valores muy dispares, se lle-ga a la conclusion de que la muestra seleccionada de dieciseis pacientes por

147

6 Experimentos

grupo ha sido insuficiente para obtener unos resultados firmes. No obstante,sı son suficientes para obtener unos primeros datos sobre la eficacia del robotdesarrollado. Asimismo, el valor de los resultados obtenidos no solo es estaprimera medida de la eficacia, sino que tambien pueden ser utilizados paraelaborar un protocolo clınico mas amplio a partir del cual obtener datos masconcluyentes. Por otro lado, durante el presente ensayo clınico los cirujanoshan experimentado una curva de aprendizaje en el uso del asistente roboticoque en cierta medida ha podido desvirtuar los resultados obtenidos. Esteproblema desaparece en la elaboracion de un segundo ensayo clınico.

El efecto de las complicaciones postoperatorias se ha pretendido medircon la estancia media del paciente en el hospital. El procedimiento quirurgicoestandar se ha modificado exclusivamente por el hecho de que es el robot elque sostiene la camara, por tanto, en principio no deben existir complicacionespostoperatorias distintas a las habituales.

Las graficas de la figura 6.3 muestran el tiempo de estancia en el hospitalde los enfermos de las dos series anteriores. El eje de ordenadas mantieneel significado de las graficas anteriores y el de abscisas muestra la estanciahospitalaria en dıas, desde su ingreso (un dıa antes de la intervencion) hastael dıa del alta medica.

De la primera de las graficas se obtiene que el valor medio de la estanciade los pacientes que han sido intervenidos con asistente humano es de 2, 69dıas, con una desviacion estandar de 0,83 dıas. En el caso de la serie con robot,el valor medio de esta magnitud es de 2, 214 dıas y la desviacion estandar de0, 664 dıas.

Los datos recogidos en ambas series (figura 6.3) demuestran un tiempomedio de estancia similar lo que corrobora la hipotesis mencionada. Asimismoen ambas series no ha existido ningun caso en el que haya sido necesaria laconversion a cirugıa abierta.

No obstante sı se han producido algunos acontecimientos adversos declase II (vease apartado 6.3.5) que no han repercutido en el resultado final dela intervencion:

En una de las intervenciones realizadas con asistente robotico se produjo

148


Estancia del paciente en el hospital en intervención

con Asistente Humano

0

1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Intervención

Esta

ncia

(d

ías)

Estancia del paciente en el hospital en intervención

con Asistente Robótico

0

1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Intervención

Esta

ncia

(d

ías)

Figura 6.3.: Estancia de los enfermos en el hospital.

un acontecimiento adverso de clase II-a. Este hecho no presenta relacionalguna con la utilizacion del sistema automatico de manejo de la camara,y tan solo ha supuesto un retraso de varios minutos en la intervencion,por lo que no se ha considerado relevante.

En dos intervenciones realizadas con el asistente robotico se presentaronproblemas con el reconocedor de voz (acontecimiento adverso de claseII-b) que tuvieron que subsanarse fuera del quirofano. En estos dos

149

6 Experimentos

casos se retiro el robot y se continuo la intervencion mediante el metodoconvencional. Este cambio en el tipo de cirugıa se produce de formainmediata, tan solo requiere la desconexion de la camara del robot yla retirada hacia atras del dispositivo, con lo que no se produce unretraso significativo en la duracion de la intervencion. Sin embargo, losresultados de estos dos experimentos se han eliminado de la serie ya queno pertenece por completo a ninguna de los dos grupos de pacientes, ypor tanto no pueden incluirse a la hora de calcular la media y desviaciontıpica de la duracion de la intervencion.

En cuanto a las veces que resulta necesario extraer la optica de la cavi-dad abdominal para su limpieza ha ascendido a una media de 2, 5 veces enlas intervenciones con asistente humano, y de 0, 75 en las intervenciones conel asistente robotico. La diferencia en este caso es significativa y se debe fun-damentalmente a la firmeza con la que el robot mueve y sostiene la camara.Los movimientos se producen de forma muy precisa gracias a la generacionde trayectorias que realiza el control de movimiento propuesto en el capıtulo3 e implantado en el sistema, lo que evita que se rocen de forma accidental lostejidos del interior del paciente. Ademas, la eliminacion del temblor del pulsode un asistente humano conlleva una estabilidad de la camara que mejora lacalidad de la imagen.

Otro aspecto que ha sido recogido en la serie de operaciones con asis-tente ha sido el tiempo que ocupa la esterilizacion del asistente robotico.Dicho tiempo oscila entre los dos y tres minutos, y se destaca que no ha sidonecesaria ninguna operacion de mantenimiento del robot en el transcurso delensayo clınico. La carga de baterıas del robot se ha realizado por precaucioncada dos intervenciones, empleandose en ello un tiempo de dos a dos horas ymedia. Esta accion se realiza mientras el robot no esta utilizandose.

Para finalizar, los datos recogidos durante la realizacion del ensayoclınico y que han sido analizados en este apartado, como son la duracionde la intervencion, la estancia hospitalaria y el numero de veces que ha sidonecesaria la extraccion de la optica para su limpieza, se resumen en la tabla6.1.

150

6.5 Curva de aprendizaje del uso del robot

Tabla 6.1.: Datos recogidos durante el ensayo clınico.Metodo convencional Con asistente robotico

Media Desviacion tıpica Media Desviacion tıpicaDuracion 1.198 h 0,29 h 1,13 h 0,273 hEstancia 2,69 dıas 0,83 dıas 2,214 dıas 0,664 dıasLimpieza 2,5 veces 0,75 veces

6.4.2. Datos Subjetivos

El ensayo clınico se ha llevado a cabo con la colaboracion de tres ciru-janos con experiencia diferente: el jefe de servicio de cirugıa laparoscopica,un cirujano experto y un cirujano novel. Se ha repartido una encuesta sobrelos datos subjetivos al finalizar cada serie de intervenciones, en la que valora-ban los aspectos mencionados en el apartado dos del presente informe. Cabedestacar que mientras que la fatigabilidad y el dolor de espalda son similaresen ambas series, la comodidad del cirujano y la calidad de la imagen mejorancon el uso del asistente robotico.

Este resultado confirma la hipotesis de que el asistente robotico no soloes capaz de sustituir a un asistente humano en la labor del manejo de lacamara, sino que, con una comunicacion sencilla con el dispositivo a travesde una interfaz de voz, es capaz de mejorar los resultados de dicha tarea alconseguir que la imagen sea mas estable. De esta forma, el cirujano lograuna mayor concentracion en su tarea principal de manejar el instrumentalquirurgico.

6.5. Curva de aprendizaje del uso del robot

Como en la mayorıa de los sistemas roboticos de asistencia quirurgi-ca, en el caso del sistema Erm se ha optado por una interfaz basada en elreconocimiento de voz, ya que constituye una forma simple e intuitiva de con-trolar el robot. Como el bucle de control se cierra con el operador humanoy es ademas visual, los comandos implementados en la interfaz son instruc-ciones de alto nivel: desplazamientos incrementales de la camara relativos asu propio sistema de referencia.

151

6 Experimentos

La implementacion esta basada en un modulo de reconocimiento de vozde Sensory Inc., integrado en el controlador del robot. Esta configurado parareconocer un pequeno conjunto de ordenes de la voz del cirujano. Las ordenesutilizadas son basicamente: arriba, abajo, derecha, izquierda, introducir y ex-traer. Estas ordenes, por tanto, producen un movimiento programado delasistente robotico que hace que la camara apunte hacia la direccion indicadapor la orden en particular. Se destaca que las dos ultimas producen una am-plificacion o una reduccion de la imagen mostrada en el monitor. El moduloes capaz, ademas, de reproducir mensajes orales para confirmar que instruc-cion se ha reconocido y va a ejecutarse. Como medio de entrada, el cirujanodispone de un microfono inalambrico con un transmisor analogico en FM.

El reconocedor requiere un entrenamiento previo por parte del cirujanoque lo vaya a utilizar, con el objetivo de asegurar que el robot solo respondeal cirujano que lo ha entrenado. El sistema es capaz de almacenar el perfil devoz de distintos usuarios de manera que, cada vez que vaya a ser utilizado, tansolo es necesario escoger la configuracion del cirujano que lo vaya a comandar.

Las graficas de la figura 6.4 muestran el comportamiento del reconoce-dor de voz en las intervenciones realizadas con el asistente robotico. La graficasuperior muestra, en lınea continua, el numero total de ordenes emitidas porel cirujano en cada intervencion, cuya media ha sido 29, 75 por intervencion.En lınea discontinua se refleja el numero de fallos del reconocedor de voz, esdecir el numero de veces que el cirujano emite una orden y el robot no lo haentendido, y por lo tanto no efectua ningun movimiento. La media de estamagnitud es de 7 fallos por intervencion.

La grafica inferior muestra el porcentaje de fallo del reconocedor de vozpor intervencion. En cada intervencion se ha dividido el numero de fallos entreel numero total de ordenes y el resultado se ha multiplicado por cien. De estamanera, se observa como la tendencia de la curva que muestra el porcentajede error de reconocimiento disminuye a medida que aumenta el numero deintervenciones. Esto se debe a que los cirujanos se van familiarizando con eluso del robot y acostumbran su tono de voz a la sensibilidad del reconocedor.No obstante, y a pesar de la tasa de error, el tiempo de intervencion no hasido afectado significativamente, con lo cual es posible que una mejora enel procedimiento de reconocimiento puede contribuir a la disminucion de la

152

6.5 Curva de aprendizaje del uso del robot

duracion de la operacion.

Porcentaje de error

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Intervención

Err

or

(%)

Número de órdenes y fallos cometidos

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Intervención

Número de órdenes Fallos cometidos

Figura 6.4.: Datos del reconocimiento de voz.

Aun ası, el fallo medio en el reconocimiento de ordenes ha sido eleva-do. Este dato es consecuencia fundamentalmente de dos factores. En primerlugar el procedimiento de entrenamiento del reconocedor resulta crıtico a lahora del buen funcionamiento del mismo. Se puede mejorar el procedimientopara lograr patrones de voz mas facilmente reconocibles. Por otro lado a pe-sar de un entrenamiento adecuado resulta necesario hablar al robot con un

153

6 Experimentos

tono de voz especıfico, lo mas similar posible al empleado durante la sesionde entrenamiento. Esto requiere una curva de aprendizaje por parte de loscirujanos.

6.6. Conclusiones

Este capıtulo ha presentado los requisitos necesarios para obtener laautorizacion de las autoridades sanitarias con el objeto introducir el sistemaErm en un quirofano real y poder realizar investigaciones clınicas. Para elloha sido necesario, en primer lugar, someter al sistema robotico a unas prue-bas de seguridad y de compatibilidad electromagnetica que garantice que enel funcionamiento normal del dispositivo no existen riesgos de seguridad parael paciente, ni problemas de compatibilidad electromagnetica con otros dis-positivos.

Asimismo, se ha presentado un protocolo clınico de los ensayos reali-zados, que ha sido presentado al comite de investigacion clınica del hospitaldonde se ha realizado la investigacion, con el objeto de obtener la autorizacionnecesaria para la realizacion de la investigacion clınica.

El objetivo principal del estudio realizado lo ha constituido el confirmarla hipotesis de que con el uso del asistente robotico desarrollado se mejora lacalidad de la intervencion quirurgica, ya sea por una disminucion del tiempoquirurgico, o bien por conseguir una situacion mas confortable para el cirujanoencargado de la intervencion.

En cuanto a la duracion de la intervencion, los resultados obtenidosno son concluyentes debido al tamano insuficiente de la muestra escogida.Presentan una primera aproximacion, demostrando que dicho tiempo de in-tervencion no aumenta, y ademas dan pie a la elaboracion de una segundainvestigacion, con una experiencia importante que hara que los resultadossean mas firmes.

Sin embargo, sı se puede establecer que se produce una mejora en lavision que tiene el cirujano del campo operatorio en cirugıa laparoscopica.Esta mejora se fundamenta en la estabilidad de la imagen mostrada por lacamara cuando esta es manejada por el asistente robotico, con respecto al

154

6.6 Conclusiones

guiado de la misma por parte de un asistente humano. En otras palabras, elasistente robotico sostiene la camara con un pulso infinitamente mas firmeque el asistente humano a lo largo de toda la intervencion.

Por otro lado, resulta significativo mencionar que con el uso del asistenterobotico resulta menor el numero de veces que es necesario extraer la opticapara su limpieza. Este hecho se debe a la firmeza con la que el robot muevey sostiene la camara, con movimientos muy precisos, produciendo una granestabilidad en la imagen. Esto refuerza el dato subjetivo obtenido sobre lacalidad de la vision que es muy superior cuando se utiliza el robot.

En punto debil del sistema lo constituye el reconocedor de voz con elque se comanda el robot. El fallo medio en el reconocimiento de ordenes hasido elevado. Esto se debe en primer a que el procedimiento de entrenamientodel reconocedor resulta crıtico a la hora del buen funcionamiento del mismoy ademas resulta necesario hablar al robot con un tono de voz especıfico,lo mas similar posible al empleado durante la sesion de entrenamiento. Sinembargo, este bajo rendimiento del reconocedor de voz no ha tenido incidenciasignificativa sobre el tiempo medio de la intervencion quirurgica. Es posibleque al mejorar este aspecto disminuya sensiblemente esta magnitud.

En resumen, segun las pruebas clınicas realizadas, con el uso del robotno se empeora los parametros temporales de la intervencion, pero se mejorasignificativamente la calidad de la imagen. Mejorando el procedimiento delreconocedor en aras de disminuir los fallos de reconocimiento y con mayorexperiencia en su utilizacion se disminuira significativamente en tiempo deintervencion.

Se puede concluir, por tanto, que el robot puede sustituir perfectamentea un asistente humano que se encargue del manejo de la camara lo que puedeser de gran interes en centros hospitalarios que presenten escasez de personal.

155

6 Experimentos

156

7. Conclusiones y lıneas de

investigacion futuras

7.1. Conclusiones

En los ultimos anos, los avances en los campos de la imagen medica,la vision por computador y la robotica han permitido que la llamada cirugıaasistida por computador (del ingles computer aided surgery) se convierta enun camino para solucionar muchos de los problemas que plantea la practicaclınica.

Concretamente en el campo de la cirugıa laparoscopica aparecen pro-blemas como perdida de vision estereoscopica, reduccion del campo de vision,inversion y escalado de movimientos, y perdida del tacto. Para mitigar estosproblemas se han propuestos diferentes sistemas roboticos como el Da Vinci

de Intuitive Surgical, o el Zeus de Computer Motion, que se manejan direc-tamente por el cirujano y aumentan la destreza del mismo en el manejo deciertos instrumentos. Asimismo, aparecen otro tipo de sistemas mas sencillos,los asistentes quirurgicos, que trabajan junto al cirujano y realizan funcionestales como la sujecion y movimiento de la camara laparoscopica. Es el casodel Aesop de Computer Motion, el Endoassist de Armstrong Healthcare, elLapman de MedSys, o el sistema Erm de la Universidad de Malaga donde sehan implantado todas las contribuciones de la presente tesis.

Este ultimo tipo de robot quirurgico puede presentar diferentes confi-guraciones en su muneca: actuadas y pasivas. Las primeras estan dotadas deuna estructura mecanica especial que le dota de un centro remoto de rotacionlocalizado en el punto de insercion de la optica en el abdomen del paciente.Por esta razon se precisa un proceso de calibracion de la posicion del puntoprevia a la intervencion. Ademas, en caso de no estar perfectamente localizado

157

7 Conclusiones y lıneas de investigacion futuras

dicho punto con respecto al robot, pueden producirse fuerzas indeseadas en elabdomen del paciente. Por otro lado, las munecas pasivas garantizan que no seejerzan esfuerzos en el punto de entrada, ya que su estructura mecanica per-mite la acomodacion al mismo. Como inconveniente, cualquier incertidumbreen la posicion del punto de insercion, produce un posicionamiento imprecisode la camara.

En esta tesis se ha llevado a cabo un estudio de los errores de localizacionde la camara laparoscopica en asistentes roboticos dotados con munecas pasi-vas. Estos errores son de dos tipos, errores en la orientacion y altitud, y erroresen la insercion de la optica. Los primeros tan solo se traducen en un centradoinadecuado de la imagen laparoscopica con respecto al campo de trabajo. Sinembargo, los errores en la penetracion, constituyen una fuente potencial depeligros mayores, ya que la insercion no deseada de la optica puede danaralgun organo interno. No obstante, se llega a la conclusion de que el error deestimacion del punto de insercion debe ser elevado para producir un error deinsercion significativo.

En cualquier caso, se hace necesario el diseno de una estrategia de con-trol que compense los errores de orientacion y altitud de la camara. Para ellose ha propuesto un esquema de control cartesiano que genera las trayectoriasen lınea. Se trata de un control desacoplado para cada una de las variablesesfericas de orientacion y altitud de la camara. Este esquema de control in-cluye un estimador de la distancia al punto de insercion, de manera que seactualiza cuando se dispone de un nuevo valor para este parametro. Cabedestacar que el problema de compensacion de los errores mencionados se haabordado a traves de dos acciones diferentes, de manera que se confiere alsistema mayor inmunidad ante perturbaciones que afecten a la posicion delpunto de insercion de la camara.

Para la estimacion de la mencionada distancia se han propuesto dosmetodologıas diferentes. La primera de ellas esta basada en mınimos cuadra-dos recurrentes, mientras que la segunda se basa en un enfoque geometricoque utiliza la informacion generada por los codificadores angulares de posicionarticular del robot y las referencias angulares esfericas proporcionadas por laley de control operacional durante el transcurso del movimiento. Ambas es-trategias se han implantado en el sistema Erm y se han comparado mostrando

158

7.1 Conclusiones

que el enfoque geometrico es mas exacto cuando la precision de los sensoreses elevada. No obstante esta metodologıa es mas susceptible a los ruidos quese puedan producir en la lectura de los mismos, ya que no aprovecha ni lainformacion ni los resultados obtenidos en anteriores iteraciones.

Otro aspecto a destacar en relacion al esquema de control propuestolo constituye la necesidad de ajustar sus parametros de manera que se eviteque se saturen los actuadores del manipulador. Si la velocidad cartesiana im-puesta por el generador de trayectorias implica una velocidad articular queno pueden desarrollar los motores del sistema, el movimiento generado no seajustara a la trayectoria deseada. Para solucionar este problema se ha realiza-do un estudio basado en el concepto de manipulabilidad de un brazo robotico.Se ha propuesto una metodologıa para calcular el factor de transformacionde velocidades articulares a cartesianas lımite que puede aplicarse sin que seproduzca la mencionada saturacion de los actuadores. A partir de dicho fac-tor de transformacion lımite, se obtiene la velocidad cartesiana maxima quepuede imponer el generador de trayectorias.

Todo este esquema de control ha sido implantado en el sistema Erm,con el que se han realizado experimentos, tanto en simuladores de pacientes,como con animales de experimentacion. Todos ellos han constatado el fun-cionamiento adecuado en cuanto a la precision del sistema de control a lahora de posicionar la camara laparoscopica en la zona de interes.

El siguiente paso en un asistente robotico de este tipo consiste en llevarloa clınica humana. Sin embargo, para ello, es preciso tener garantizado queel sistema cuenta con las suficientes medidas de seguridad, ya que en unquirofano real esta continuamente en contacto con el paciente y con el equipomedico. Con objeto de demostrar dicha seguridad es necesario realizar unanalisis de riesgos del sistema y por ello se ha adaptado la metodologıa delanalisis FMEA para su aplicacion en un robot quirurgico.

Por ultimo se han seguido todos los pasos pertinentes para conseguirlas autorizaciones necesarias y poder llevar a cabo investigaciones clınicas.De esta forma, se han intervenido de colecistectomıa a dos grupos de dieciseispacientes, uno de ellos con el asistente quirurgico desarrollado y el otro con latecnica habitual de laparoscopia. Los resultados de este estudio no son con-cluyentes debido al escaso tamano muestral escogido, pero aun ası se pueden

159


obtener unas conclusiones preliminares.

En primer lugar, los resultados reflejan que con el asistente robotico nose aumenta el tiempo de duracion de la intervencion. Serıa necesario continuarcon las intervenciones para comprobar, una vez que el equipo medico se hayaacostumbrado a su utilizacion, si dicho tiempo se puede o no reducir.

Por otro lado, y en relacion a las opiniones subjetivas de los cirujanosque han utilizado el sistema, se mejora la calidad de la intervencion en cuantoa que la imagen laparoscopica presenta mayor estabilidad al ser manejada porel asistente robotico.

Con todos estos resultados se puede concluir que el sistema roboticodisenado es capaz de sustituir completamente a un asistente humano encar-gado del manejo de la camara laparoscopica.

7.2. Lıneas de investigacion futuras

La principal lınea de investigacion que amplıa los trabajos realizadosen la presente tesis se centra en alcanzar el paradigma de cirugıa en solitarioo solosurgery. Ası, se pretende que un solo cirujano sea capaz de llevar acabo ciertos tipos de intervenciones por vıa laparoscopica, sin la necesidadde un segundo cirujano que maneje instrumental adicional. Para conseguireste objetivo se plantea la confeccion de un sistema robotico compuesto dedos brazos, uno para manejar la camara laparoscopica y el otro para uninstrumento auxiliar. Esta tarea se puede dividir en diferentes desarrollosparciales:

En primer lugar es necesaria la identificacion de las tareas que puededesarrollar de forma automatica o semiautomatica un asistente robotico dota-do de camara laparoscopica y de un separador o pinza. Se trata de disminuirla carga de trabajo en el quirofano sin afectar otros indicadores de la cali-dad del procedimiento como puede ser el tiempo de intervencion. Para elloes necesario hacer una descomposicion de los procedimientos quirurgicos enmaniobras basicas, ası como obtener un modelo matematico de los mismos.

Una vez identificadas estas tareas, se debe hacer un estudio para disenar

160

7.2 Lıneas de investigacion futuras

la estructura cinematica mas adecuada, haciendo especial hincapie en el disenode la muneca, por lo que deben evaluarse distintas configuraciones para lamisma, tanto activas, como pasivas. Para este diseno cinematico es necesariotomar en consideracion aspectos como el espacio de trabajo necesario, la con-figuracion de los brazos y la posible disposicion del sistema dentro de la salade operaciones.

Otro paso necesario en el desarrollo del sistema consiste en elaborardiversas estrategias de control para reproducir las tareas que se pretendenautomatizar. Es importante, para ello, desarrollar tecnicas de coordinacionentre los dos instrumentos a manejar.

Otra posible lınea de investigacion que puede plantearse como desarrollofuturo de la presente tesis, consiste en contar con un sistema para formar yevaluar a cirujanos ası como disponer de un parte electronico de las incidenciasde la intervencion. Para ello se puede dotar al sistema robotico de una cajanegra para el registro de la intervencion. De esta forma se registraran todoslos movimientos del robot, en que tiempo se produjeron y la vision tanto dela camara laparoscopica como de una panoramica del quirofano.

161


162

A. Modelado cinematico del robot

ERM

A.1. Introduccion

Este apendice tiene por objeto presentar el modelo cinematico, tantodirecto como inverso, del asistente quirurgico Erm. Dicho modelo esta forma-do por un conjunto de ecuaciones que relacionan las variables articulares delmanipulador con la posicion y orientacion (localizacion) de su efector final,que en el caso de la presente tesis consiste en la optica de la camara de cirugıalaparoscopica.

Para resolver el problema cinematico se hace necesario, en primer lugar,caracterizar las distintas articulaciones y eslabones que integran el manipu-lador, y a continuacion, asignar a cada uno de ellos un sistema de referenciafijo al mismo. En dicha tarea se aplicara el metodo de Denavit-Hartenbergo DH1, que establece una serie de reglas para la asignacion de dichos sis-temas de referencia, lo cual facilita la posterior obtencion de las matrices detransformacion entre los mismos.

A.2. Sistemas de referencia

Como se ha comentado, un paso previo a la obtencion de los distintosmodelos cinematicos consiste en la asignacion de sistemas de referencia alos eslabones, la definicion de parametros articulares y la obtencion de lasmatrices de transformacion entre tales sistemas. Para llevar a cabo dichatarea se ha empleado la metodologıa DH1.

El asistente quirurgico Erm dispone de cinco grados de libertad con la

163

A Modelado cinematico del robot ERM

configuracion siguiente:

una articulacion activa lineal denotada mediante d1,

dos articulaciones activas rotacionales θ2 y θ3,

y dos articulaciones pasivas rotacionales θ4 y θ5.

El resultado de aplicar el metodo DH1 al asistente se muestra en lafigura A.1, y los valores de los parametros en la tabla A.1.

a1

a2

a3

d 3x1

x0x0

z0

z0

x2

x3

z1

z2

z3

z5

z6

x4 x5

x6

d1

θ2θ3

y4

θ4

θ5

x0

x1

y0y1

θ2

θ3

θ4

Plano

Plano XY

d 4

d 6

Figura A.1.: Asignacion de sistemas de referencia y parametros (DH1 ).

Tabla A.1.: Parametros DH1.

i ai αi di θi

1 0 a1 d1 02 0 a2 0 03 0 a3 d3 04 π/2 0 d4 05 π/2 0 0 06 0 0 d6 0

164

A.3 Modelo cinematico directo

A continuacion se presentan las matrices de paso obtenidas.

0T1 =

1 0 0 a1

0 1 0 00 0 1 d1

0 0 0 1

(A.1)

1T2 =

cos θ2 − sin θ2 0 a2 cos θ2sin θ2 cos θ2 0 a2 sin θ2

0 0 1 00 0 0 1

(A.2)

2T3 =

cos θ3 − sin θ3 0 a3 cos θ3sin θ3 cos θ3 0 a3 sin θ3

0 0 1 d3

0 0 0 1

(A.3)

3T4 =

cos θ4 0 − sin θ4 0sin θ4 0 cos θ4 0

0 1 0 d4

0 0 0 1

(A.4)

4T5 =

cos θ5 0 − sin θ5 0sin θ5 0 cos θ5 0

0 1 0 00 0 0 1

(A.5)

5T6 =

1 0 0 00 1 0 00 0 1 d6

0 0 0 1

(A.6)

A.3. Modelo cinematico directo

El modelo cinematico directo se determina multiplicando las matricesde paso obtenidas en el apartado anterior segun la expresion:

165


0T5 = 0T11T2

2T33T4

4T5 (A.7)

que conduce a la matriz de transformacion del origen de la camara respectodel sistema de referencia global 0:

0T5 =

c234c5 s234 c234s5 a1 + a2c2 + a3c23

s234c5 −c234 s234s5 a2s2 + a3s23

s5 0 −c5 d1 + d3 + d4

0 0 0 1

(A.8)

La submatriz:

0R5 =

c234c5 s234 c234s5

s234c5 −c234 s234s5

s5 0 −c50 0 0

(A.9)

se corresponde con la orientacion del sistema de referencia asociado ala optica respecto de la base del asistente, y el vector A.10 define la posiciondel origen la optica:

0P5 =

a1 + a2c2 + a3c23

a2s2 + a3s23

d1 + d3 + d4

1

(A.10)

En esta expresiones se ha utilizado la siguiente nomenclatura:

c234 = cos(θ2 + θ3 + θ4) (A.11)

s234 = sin(θ2 + θ3 + θ4) (A.12)

c5 = cos θ5 (A.13)

s5 = sin θ5 (A.14)

El valor de cada uno de los terminos ai y di del asistente se muestran a

166

A.4 Modelo cinematico inverso

continuacion:

a1 0,1095 ma2 0,520 ma3 0,452 m

d1 d+ 0,044 md3 −0,053 md4 −0,215 md6 0,288 m

A.4. Modelo cinematico inverso

El problema de la cinematica inversa consiste en obtener el valor delas variables articulares que hacen que el efector final alcance un localizaciondeterminada. En este problema intervienen ecuaciones no lineales, lo cual hacesu resolucion bastante mas compleja que la del problema directo. La solucionarticular para una determinada localizacion puede no ser unica, o no existir siquiera, como es el caso en el que la localizacion deseada esta fuera del espaciodel trabajo.

Existen distintos metodos para determinar el modelo cinematico inversode un manipulador, los cuales se pueden agrupar en analıticos y numericos. Enel caso concreto del asistente quirurgico es posible aplicar un metodo analıticode resolucion, por ello se descarta utilizar ningun metodo numerico, evitandoası los problemas de convergencia y coste computacional que estos implican.

Debido a que el robot asistente quirurgico tiene tres articulaciones ac-tuadas, solo es necesario conocer el valor de las variables asociadas a dichasarticulaciones, por lo que unicamente se ha resuelto el modelo cinematicoinverso del posicionamiento de la camara. La orientacion viene fijada en fun-cion de dicha posicion y el punto de insercion de la optica en el abdomen delpaciente. Un estudio mas detallado de este ultimo aspecto se realizara en elapartado correspondiente al modelo de la tarea, A.5.

El calculo de las variables articulares de revolucion se puede realizaraplicando el teorema del coseno sobre la proyeccion de los eslabones del ma-nipulador en un plano paralelo al XY . Como se muestra en la figura A.2,existen dos posibles configuraciones articulares para alcanzar un determinadopunto (x, y, z), codo arriba y codo abajo. Aplicando el teorema del coseno al

167


θ2β

α

γ

− θ3

θ3γ

βθ2

α

(x,y)

x0

y0

(x,y)

x

y0

0

Codo arriba

Codo abajo

{2}

{3}{4}

{2} {3}

{4}

a 2

a 2

a 3

a 3

a 1 a 1

Figura A.2.: Configuraciones codo arriba y codo abajo.

triangulo 234 de la configuracion codo abajo, se obtiene la relacion:

(x− a1)2 + y2 = a22 + a2

3 + 2a2a3 cos θ3 (A.15)

que da lugar a:

θ3 = arc cos(x− a1)2 + y2 − a2

2 − a23

2a2a3(A.16)

La solucion simetrica, codo arriba, se obtiene al cambiar el signo de θ3.En cuanto a θ2, se puede calcular a partir de:

θ2 =

{β − α , si θ3 > 0β + α , si θ3 < 0

(A.17)

dondeβ = arctan2(y, x− a1) (A.18)

y

α = arc cosa2

3 − a22 − (x− a1)2 − y2

−2a2

√(x− a1)2 + y2

(A.19)

De la tercera componente del vector dado por la expresion A.10 se

168

A.5 Modelo de la tarea

observa que la coordenada z de la camara esta relacionada de forma linealcon el valor de la variable articular prismatica d, de forma que:

d = z − 0,224 m (A.20)

Para obtener una solucion general, valida para las dos configuracionesposibles, se introduce un parametro m, que toma el valor 1 para codo abajoy −1 para codo arriba. De esta forma, la solucion completa obtenida es:

θ2 = β −mα

θ3 = m arc cos(x− a1)2 + y2 − a2

2 − a23

2a2a3(A.21)

d = z − 0,224 m

A.5. Modelo de la tarea

La mision principal del robot asistente de cirugıa laparoscopica es moverla camara empleada en este tipo de operaciones de acuerdo con las ordenesdel cirujano. Por ello, es importante conocer el modo en que habitualmenteun asistente humano maneja esta herramienta.

Las caracterısticas del movimiento de la camara laparoscopica vienendeterminadas en gran medida por la posicion del punto de entrada del endo-scopio en el abdomen del paciente o punto de pivote. Este punto impone unaserie de restricciones al movimiento del instrumental laparoscopico, inclui-da la camara. Fundamentalmente impide los movimientos laterales, de modoque los grados de libertad cartesianos disponibles quedan reducidos a cuatro:tres rotaciones y un desplazamiento. Dos rotaciones tienen lugar en torno alpunto de insercion de la camara, segun unos ejes perpendiculares entre sı ycoplanarios con la pared del abdomen del paciente. La rotacion restante ten-dra lugar alrededor del eje longitudinal de la camara, que no ha sido necesarioconsiderar debido a que se emplea una optica sin angulos. El ultimo grado delibertad consiste en un desplazamiento segun el mismo eje (vease figura A.3).

169


Punto de insercióno fulcro

Desplazamiento

Rotaciones en tornoal punto de inserción

Rotación en tornoal eje de la cámara

Figura A.3.: Movimientos permitidos del instrumental laparoscopico.

El sistema automatico encargado del movimiento de la camara hacenecesario definir un modelo geometrico de la tarea, que permita especificarde manera facil y unıvoca las posiciones deseadas. Para ello se define unsistema de referencia {P} en el punto de entrada o fulcro, y un sistema dereferencia {C} en la camara, tal y como se muestra en la figura A.4.

{P}

{C}

X

Y

Z

X

YZ

α

β

ρ

Figura A.4.: Modelo de la tarea.

La posicion y orientacion de la camara queda definida mediante la trans-

170

A.5 Modelo de la tarea

formacion PTC . Esta matriz se obtiene a traves de la composicion de dos rota-ciones y una traslacion. La localizacion inicial de la camara queda definidamediante:

T0 =

1 0 0 00 −1 0 00 0 −1 00 0 0 1

(A.22)

A continuacion se aplica a T0 un desplazamiento ρ sobre el eje Z del sis-tema situado en el punto de insercion, definido mediante la matriz homogenea:

Dz(ρ) =

1 0 0 00 1 0 00 0 1 ρ

0 0 0 1

(A.23)

En segundo lugar se aplica una rotacion β en torno al eje Y del sistema{P}:

Ry(β) =

cosβ 0 sinβ 0

0 1 0 0− sinβ 0 cosβ 0

0 0 0 1

(A.24)

Y por ultimo, se produce una rotacion α en torno al eje Z del sistema{P}:

Rz(α) =

cosα − sinα 0 0sinα cosα 0 0

0 0 1 00 0 0 1

(A.25)

Como todas estas transformaciones se realizan sobre un sistema de coor-denadas fijo, la matriz de paso se calcula a traves de la expresion:

171


PTC = Rz(α)Ry(β)Dz(ρ)T0 (A.26)

El resultado de realizar esta composicion se refleja en la matriz:

PTC =

cosα cosβ sinα − cosα sinβ ρ cosα sinβsinα cosβ − cosα − sinα sinβ ρ sinα sinβ− sinβ 0 − cosβ ρ cosβ

0 0 0 1

(A.27)

A.6. Relacion entre el modelo cinematico y el de la

tarea

Con objeto de que el robot asistente de cirugıa pueda mover la camaralaparoscopica de forma apropiada, es necesario relacionar el modelo cinematicodel mismo con el modelo de la tarea. De acuerdo con este ultimo, la posiciondeseada de la optica queda definida por las coordenadas (α, β, ρ) definidasen el apartado anterior. Esta relacion se puede encontrar al considerar lasiguiente transformacion homogenea

0TC = 0TPPTC (A.28)

donde 0TC representa la relacion entre el sistema {0} del robot y elorigen de la camara, que coincide con la matriz de paso de la expresion A.8obtenida en el modelo cinematico directo; 0TP expresa la relacion entre elsistema {0} y el sistema {P} situado en el punto de entrada de la camaralaparoscopica. Estos dos sistemas se han definido con la misma orientacion,de manera que la matriz de paso de uno a otro es un desplazamiento querefleja la posicion de dicho punto de entrada con respecto al sistema {0}:

172

A.6 Relacion entre el modelo cinematico y el de la tarea

0TP =

1 0 0 xp

0 1 0 yp

0 0 1 zp

0 0 0 1

. (A.29)

Por ultimo, la matriz PTC relaciona el sistema situado en la camara conel situado en el punto de pivote.

Si se desarrolla la expresion A.28, se puede obtener la relacion buscadaentre las variables articulares del robot y las de la camara en el espacio de latarea. Ello da lugar a la siguiente ecuacion:

c234c5 s234 c234s5 a1 + a2c2 + a3c23

s234c5 −c234 s234s5 a2s2 + a3s23

s5 0 −c5 d1 + d3 + d4

0 0 0 1

=

cosα cosβ sinα − cosα sinβ ρ cosα sinβ + xp

sinα cosβ − cosα − sinα sinβ ρ sinα sinβ + yp

− sinβ 0 − cosβ ρ cosβ + zp

0 0 0 1

(A.30)

de la cual se puede deducir las relaciones siguientes:

α = θ2 + θ3 + θ4 (A.31)

β = −θ5 . (A.32)

Asimismo, se consigue la posicion de la camara respecto del sistema {0}por dos caminos distintos, a traves de variables articulares o empleando lasvariables esfericas del modelo de la tarea.

173


a1 + a2c2 + a3c23 = xc = ρ cosα sinβ + xp (A.33)

a2s2 + a3s23 = yc = ρ sinα sinβ + yp (A.34)

d1 + d3 + d4 = zc = ρ cosβ + zp (A.35)

Las relaciones A.33–A.35 se emplearan en el simulador del asistentepara conocer la evolucion de las articulaciones pasivas y la distancia al fulcro,ya que permiten obtener la localizacion de la camara conocidas las variablesarticulares activas y el punto de insercion de la optica.

Tambien resultan muy utiles desde el punto de vista de la planificacion,porque dada una configuracion deseada de la camara, y de nuevo conociendola posicion del punto de fulcro, es posible calcular las referencias para lasvariables articulares activas que permiten alcanzar dicha configuracion.

174

B. Arquitectura de control del robot

ERM

B.1. Introduccion

La arquitectura de control del sistema robotico Erm esta compuestapor dos capas diferenciadas. Por un lado se encuentra el control de alto nivel,que traduce las ordenes de movimiento introducidas a traves de la interfazde usuario en coordenadas articulares y referencias. Para realizar esta tareanecesita informacion de las distintas articulaciones, que son proporcionadaspor el controlador de bajo nivel, para las articulaciones activas, y por un de-codificador de encoders, en el caso de las articulaciones pasivas de la muneca.Las consignas generadas por el sistema de control de alto nivel son enviadasa la segunda capa del sistema, compuesta por controladores PID que generanuna senal PWM. Dichas senales son amplificadas por un modulo de potenciay posteriormente son dirigidas a los motores, cuya posicion se realimenta alos PID a traves de encoders angulares para cerrar el bucle de control. Lafigura B.1 muestra un esquema de esta arquitectura de control.

Toda esta arquitectura de control esta integrada en la base del robot,junto al sistema de alimentacion y presenta una arquitectura modular basa-da en un esquema de conexion a traves de un backplane pasivo. Todos lossubsistemas estan encerrados en unidades metalicas para evitar problemasde compatibilidad electromagnetica y se encuentran integrados en un subrackuniversal de 19 pulgadas. La figura B.2 muestra la distribucion de los distintosmodulos en la base del robot.

En los siguientes apartados se describen cada uno de los componentesdel robot Erm: sistema actuador, sistema sensorial, interfaz de usuario, con-trol de bajo nivel, control de alto nivel y sistema de alimentacion.

175

B Arquitectura de control del robot ERM

Figura B.1.: Arquitectura de control del sistema Erm.

Figura B.2.: Distribucion del sistema de control en la base del robot Erm.

B.2. Sistema actuador

Los elementos principales del sistema actuador del asistente quirurgicolo constituyen tres motores de corriente continua de 24V. Se han empleado el

176

B.3 Sistema sensorial

modelo de motor 3863C del fabricante FAULHABER y reductoras de la serie44/1 con una reduccion de 111:1. Para el caso de la articulacion prismatica,se dispone de una plataforma monocarrier que proporciona el desplazamientolineal de un patın ante la rotacion de un tornillo sin fin actuado por uno de losmotores mencionados. El monocarrier elegido es el MCM06070H20 de NSK.

Debido a que los motores trabajan con tensiones del orden de decenas devoltios y corrientes del orden de amperios, el sistema de control, que trabajacon senales de menor magnitud, no es capaz de gobernarlos. Por ello, cadamotor utiliza un convertidor de continua a continua (DC-DC) del tipo puenteen H (en la figura B.1 este convertidor aparece con el nombre de modulo depotencia).

Para realizar el control de los motores es necesaria una tension continuavariable comprendida entre los valores de alimentacion. Esto se consigue apli-cando alternativamente 24V, -24V y GND en los terminales de los motores,de forma que el valor medio de la senal cuadrada aplicada coincida con el va-lor de continua deseado (la inductancia propia del motor se encarga de filtrarla senal cuadrada). La mayorıa de las veces se utilizan senales moduladas enancho de pulso (PWM ), que se caracterizan por tener una frecuencia fija yun ancho de pulso variable.

B.3. Sistema sensorial

El sistema sensorial interno del manipulador esta compuesto por codifi-cadores angulares incrementales. Tales codificadores se encuentran acopladosal eje del motor de la articulacion que se quiere medir, o en el caso de lasarticulaciones pasivas, directamente al eje de la articulacion. Los modelos uti-lizados son el HEDS5540A de la casa Hewlett-Packard para las articulacionesactivas y el modelo BDK 16.05A 1024-5-4 de Baumer para las pasivas.

Disponen de dos senales de salida, A y B, que proporcionan un tren depulsos desfasados 90o electricos y otra salida denominada index (I ), por lacual se obtiene un pulso cuando el codificador angular da una vuelta completa.

Para obtener la posicion angular es necesario decodificar las senalesA y B, por lo que se hace necesario un circuito logico adicional que imple-

177


mente esta funcion. En el caso de las articulaciones activas, el propio sistemaencargado de hacer su control dispone de este decodificador, sin embargo,las pasivas utilizan un dispositivo independiente, concretamente un decodifi-cador de cuadratura HCTL2016 de Agilent (bloque decodificador encoders enla figura B.1).

Ademas de los codificadores, cada articulacion activa dispone de sen-sores todo o nada que permiten detectar si la articulacion se ha salido o no desu rango permitido. La articulacion prismatica posee uno de tipo pulsador enla base del monocarrier, y las dos rotacionales disponen sensores de ranura.

B.4. Interfaz de usuario

El sistema Erm permite dos modos de funcionamiento: local y remo-to. Como en la mayorıa de los sistemas roboticos de asistencia quirurgica, seha optado por una interfaz local basada en el reconocimiento de voz, ya queconstituye una forma simple e intuitiva de controlar el robot. Como el buclede control se cierra con el operador humano y es ademas visual, los comandosimplementados en la interfaz son instrucciones de alto nivel: desplazamientosincrementales de la camara relativos a su propio sistema de referencia. La im-plementacion esta basada en un modulo de reconocimiento de voz de SensoryInc., integrado en el controlador del robot.

Esta entrenado para reconocer un pequeno conjunto de ordenes, comoArriba, Abajo, Derecha, etc., que deben entrenarse previamente con la vozdel cirujano. El modulo es capaz, ademas, de reproducir mensajes orales paraconfirmar que instruccion se ha reconocido y va a ejecutarse. Como medio deentrada, el cirujano dispone de un microfono inalambrico con un transmisoranalogico en FM, cuyo receptor se situa encima de la caja de control del robot(figura B.3).

Una vez que el reconocedor de voz ha identificado una orden, la trans-mite al controlador de alto nivel a traves de un puerto RS232 para que estegenere la trayectoria correspondiente.

Se han elaborado otras interfaces de usuario locales alternativas, demanera que los movimientos del robot se pueden generar a traves de un joy-

178

B.4 Interfaz de usuario

Figura B.3.: Receptor analogico para interfaz de usuario.

stick o mediante una PDA.

El joystick utilizado por el asistente es de tipo inductivo, dispone detres ejes y esta conectado al sistema de control de alto nivel a traves de trescanales analogicos. El asistente humano maneja el joystick como si de la propiacamara se tratara, con la unica salvedad del movimiento de penetracion, encuyo caso, hay que girarlo en sentido horario y en sentido antihorario para re-alizar movimientos de insercion y extraccion del endoscopio respectivamente.A diferencia de los movimientos realizados mediante ordenes de voz, con eljoystick se proporciona un movimiento continuo del extremo de la opticahasta que este vuelve a su posicion de reposo. La velocidad del movimientoplanificado por el sistema de control sera proporcional a la distancia entre laposicion actual del joystick y su posicion de reposo.

En cuanto a la interfaz local basado en PDA, se introdujo fundamen-talmente ante la necesidad de recopilar informacion sobre el transcurso de losensayos. A traves de este dispositivo se pueden realizar los mismos movimien-tos que con el reconocedor de voz, y se transmiten al control de alto nivelmediante comunicaciones inalambricas.

La interfaz remota permite incorporar al sistema capacidades de teleco-laboracion. Se dispone de un sistema de videoanotacion: el operador remoto

179


recibe la imagen laparoscopica en la estacion de trabajo, donde la interfaz deusuario le permite hacer marcas graficas sobre ella. Estas marcas se envıande vuelta al quirofano, donde el cirujano local puede verlas en el monitor devıdeo estandar en la cirugıa laparoscopica. Ademas, se dispone de un canal devideoconferencia para facilitar un modo de comunicacion mas natural. Conesta interfaz, el usuario remoto (cirujano experto) puede controlar el brazode dos maneras: enviando las mismas ordenes que el cirujano local (Derecha,Abajo, . . . ); o picando con el raton sobre la imagen endoscopica. En este caso,el robot mueve la camara de manera que la imagen quede centrada en el pun-to elegido. La interfaz remota se ha implementado en un PC estandar, conmonitor doble para ofrecer mayor campo visual. Un modulo basado en PC lo-calizado en el quirofano envıa las ordenes al robot a traves de un puerto RS232y ademas proporciona la conectividad entre este lugar y el resto del mundo,dirigiendo las comunicaciones a traves de una conexion TCP/IP estandar,ası como superponiendo la informacion grafica proveniente del usuario remo-to.

B.5. Control de bajo nivel

Este subsistema se encarga de realizar el control de las articulacionesactivas del asistente. Para ello dispone de modulos identicos para cada una delas articulaciones activas, conectados al backplane pasivo. Cada uno de estosmodulos integra un controlador de movimiento y un amplificador de potencia(o puente de transistores en H).

El controlador de movimientos elegido es el LM629 de National Semi-conductor, cuyas principales caracterısticas se detallan a continuacion:

Generador interno de referencias en base a un perfil de velocidad trape-zoidal.

Decodificador integrado de sensores angulares incrementales con interfazdigital (senales en cuadratura).

Ley de control discreta de tipo PID con anti-reset windup.

Bus de comunicaciones paralelo.

180

B.5 Control de bajo nivel

Cada controlador recibe del nivel superior las referencias de posiciony velocidad a alcanzar por la articulacion correspondiente. Con estos datosplanifica un trayectoria y calcula la actuacion (senal PWM ) que debe aplicaral motor para seguirla. El calculo de dicha actuacion lo realiza aplicando laley de control PID en base a los errores de posicion y velocidad, y el erroracumulado posicion.

La senal PWM generada se amplifica a traves de un puente de tran-sistores en H (LMD18200) capaz de suministrar una senal de 3 A (modu-lo de potencia en la figura B.1, comentado anteriormente). Dicho elementoesta formado por cuatro transistores de potencia con diodos de proteccion enantiparalelo, ademas de disponer de una circuiterıa especializada para con-trolar los transistores mediante senales de caracterısticas similares a las delsistema de control de bajo nivel.

En la figura B.4 se muestra un diagrama del controlador de bajo niveljunto con su interaccion con el sistema supervisor o control de alto nivel,con el sensor de posicion del motor que controla y, a traves del puente detransistores, con el propio motor.

Figura B.4.: Esquema del controlador de movimientos de bajo nivel.

181


B.6. Control de alto nivel

El controlador de alto nivel tiene como mision gobernar el funcionamien-to global del asistente, y esta basado en un microcontrolador ATmega128 deAtmel que permite su programacion en un lenguaje de alto nivel como C.

Entre las tareas que tiene encomendadas este componente se encuentranlas siguientes:

Atender las peticiones del usuario que pueden llegarle a traves del puertoserie de comunicaciones (interfaz de voz, PDA o interfaz remoto), o atraves de los canales analogicos a los que esta conectado el joystick.

Acto seguido, y si no se han detectado fallos el sistemas, realizar unaplanificacion de trayectorias en el espacio operacional.

Leer la posicion de las articulaciones pasivas almacenadas en los servo-controladores, y obtener la orientacion de la camara mediante la lecturade la posicion de las articulaciones pasivas. Para esto ultimo se ayudade un sistema externo, un decodificador de cuadratura.

Aplicar una ley de control en el espacio operacional con objeto de obte-ner las referencias que deben seguir las articulaciones activas para moverla camara laparoscopica segun las ordenes del cirujano.

Mandar las referencias de posicion y velocidad a los servocontroladoresde forma sincronizada.

Programar los parametros de los controladores de movimiento, talescomo: constantes de la ley de control, velocidad y aceleracion maximadel generador de trayectorias, etc.

Supervisar el estado del brazo y detectar posibles fallos como articula-ciones fuera de rango, carga de baterıas baja, etc. En caso de detectarun fallo grave actuarıa sobre el sistema de alimentacion cortando elsuministro de energıa al sistema actuador.

182

B.7 Sistema de alimentacion

B.7. Sistema de alimentacion

El sistema de alimentacion esta compuesto por una serie de baterıasubicadas en la base del robot lo que proporciona al asistente una autonomıade varias horas, sin necesidad de fuentes de energıa externas.

El sistema actuador necesita una tension de 24 V que son suministradaspor dos baterıas de plomo de 12 V y 24 Ah conectadas en serie. Por otro lado,el sistema de control, la interfaz de usuario y el sistema sensorial se alimentaa traves de una baterıa de plomo de 6 V y 10 Ah.

Se dispone de un panel de control que posee dos interruptores de encen-dido, uno para la alimentacion de potencia (24 V) y otro para la de control (5V). Existe ademas un pulsador de emergencia y unos indicadores luminososque muestran si el sistema esta alimentado o no. Asimismo, se dispone de unpanel de control solo accesible mediante herramientas, que consta de dos in-terruptores, varios portafusibles para proteger el sistema de sobreintensidadesy dos conectores para la carga de las baterıas.

183


184

C. Consentimiento informado para la

realizacion de colecistectomıa

laparoscopica

DECLARO

Que el Doctor/a XXX me ha explicado que es conveniente proceder enmi situacion a una COLECISTECTOMIA.

1. Mediante este procedimiento se pretende la eliminacion de los dolorescolicos, mejorar la tolerancia a los alimentos, evitar complicaciones co-mo inflamacion aguda de la vesıcula biliar y del pancreas e ictericia.La realizacion del procedimiento puede ser filmado con fines cientıficoso didacticos.

2. El medico me ha advertido que el procedimiento requiere la adminis-tracion de anestesia y que es posible que durante o despues de la in-tervencion sea necesaria la utilizacion de sangre y/o hemoderivados,de cuyos riesgos me informaran los servicios de anestesia y de hema-tologıa.

3. Mediante esta tecnica se me va a extirpar la vesıcula biliar. El medicome ha advertido que en algunos casos se realizara una radiografıa in-traoperatoria para descartar la presencia de calculos en los conductosbiliares, de forma que en caso de que esten presentes, se ampliara lacirugıa para realizar una limpieza de estos calculos pudiendo ser nece-sario la derivacion de la vıa biliar o ampliacion de la salida del con-ducto biliar (esfinterotomıa de Oddi). Tambien cabe la posibilidad quedurante la cirugıa haya que realizar modificaciones del procedimientopor los hallazgos intraoperatorios para proporcionarme el tratamiento

185

C Consentimiento informado para la realizacion de colecistectomıalaparoscopica

mas adecuado.

4. Comprendo que a pesar de la adecuada eleccion de la tecnica y de sucorrecta realizacion pueden presentarse efectos indeseables tanto los co-munes a toda intervencion y que pueden afectar a todos los organosy sistemas como otros especıficos del procedimiento poco graves y fre-cuentes: infeccion o sangrado, flebitis, trastornos temporales de las di-gestiones, dolor prolongado en la zona de la intervencion, o poco fre-cuentes y graves como hemorragia interna, fıstula biliar o intestinal,colangitis, estrechez de la vıa biliar, infeccion intraabdominal, coledoco-litiasis, ictericia, pancreatitis. El medico me ha explicado que estas com-plicaciones habitualmente se resuelven con tratamiento medico (medica-mentos, sueros, etc.) pero pueden llegar a requerir una reintervenciongeneralmente de urgencia incluyendo un riesgo mınimo de mortalidad.

5. El medico me ha indicado que para la realizacion de esta tecni-

ca puede ser necesaria una preparacion previa en ocasiones

con peculiaridades como en su caso. He sido informado que

se empleara un asistente automatizado para el control y es-

tabilidad de la camara de cirugıa laparoscopica durante la

intervencion a la que voy a ser sometido al haber sido se-

leccionado de modo aleatorio para participar en este estudio.

Este asistente esta siendo estudiado para su empleo de forma

rutinaria en este tipo de cirugıa una vez pasado por controles

muy exhaustivos de calidad (aunque puede ser posible su rea-

lizacion sin una preparacion completa). Comprendo que mi

participacion es voluntaria y que puedo retirarme del estu-

dio cuando quiera, sin tener que dar explicaciones y sin que

esto repercuta en mis cuidados medicos. Por lo tanto presto

libremente mi conformidad para participar en el estudio. Tam-

bien me ha indicado la necesidad de advertir de mis posibles

alergias medicamentosas, alteraciones de la coagulacion, en-

fermedades cardiopulmonares, existencia de protesis, marca-

pasos, medicaciones actuales, o cualquier otra circunstancia.

Por mi situacion vital actual (diabetes, obesidad, hipertension,

anemia, edad avanzada, etc) puede aumentar la frecuencia o

la gravedad de riesgos o complicaciones como . . .

186

6. El medico me ha explicado que en mi caso no existe alternativa tera-peutica eficaz. He comprendido las explicaciones que se me han facilitadoen un lenguaje claro y sencillo y el facultativo que me ha atendido meha permitido realizar todas las observaciones y me ha aclarado todaslas deudas que le he planteado. Tambien comprendo que en cualquiermomento y sin necesidad de dar explicacion alguna puedo revocar elconsentimiento que ahora presto.

Por todo ello manifiesto que estoy satisfecho/a con la informacion recibi-da y que comprendo el alcance y los riesgos del tratamiento.

187

C Consentimiento informado para la realizacion de colecistectomıalaparoscopica

188

Referencias

Abolmaesumi, P., Salcudean, S., Zhu, W., DiMaio, S., y Sirouspour, M.(2001). A user interface for robot-assisted diagnostic ultrasound. In Pro-ceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation,volumen 2, paginas 1549–1554.

Ang, W., Riviere, C., y Khosla, P. (1995). An active hand-held instrumentfor enhanced microsurgical accuracy. In Proceedings of Medical ImageComputing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI 2000), pagi-nas 21–24.

Butner, S. y Ghodoussi, M. (2001). A real time system for tele-surgery. In21st International Conference on Distributed Computing Systems, pagi-nas 236–243.

Casals, A., Amat, J., Prats, D., y Laporte, E. (1995). Vision guided robo-tic system for laparoscopic surgery. In IFAC International Congress onAdvanced Robotics. Barcelona. Espana.

Cinquin, P., Lavallee, S., y Troccaz, J. (1992). IGOR: Image guided operatingrobot. methodology, applications. In Proceedings of the IEEE Annual In-ternational Conference on Engineering in Medicine and Biology Society,volumen 3, paginas 1048–1049.

Davies, B. (1996). A discussion of safety issues for medical robots. In Tay-lor, R., Lavallee, S., Burdea, G., and Mosges, R., editors, Computer-Integrated Surgery, paginas 287–296. Cambridge MA: MIT Press.

Davies, B., Starkie, S., Harris, S., Agterhuis, E., Paul, V., y Auer, L. (2000).Neurobot: a special purpose robot for neurosurgery. In Proceedings ofthe IEEE International Conference on Robotics and Automation. SanFrancisco, paginas 4103–4108.

189

Referencias Bibliograficas

Dohi, T. (1995). Computer aided surgery and micro machine. In Proceedingsof the Sixth International Symposium on Micro Machine and HumanScience, paginas 21–24.

Dowler, N. y Holland, S. (1996). The evolutionary design of an endoscopictelemanipulator. IEEE Robotics and Automation Magazine, 3(4).

Duchemin, G., Poignet, P., Dombre, E., y Pierrot, F. (2004). Medically safeand sound. IEEE Robotics and Automation Magazine, 11(2):46–55.

Eckel, B. (2000). Thinking in Java. Pearson Education, segunda edition.

Faraz, A. y Payandeh, S. (1999). On inverse kinematic and trayectory plan-ning for tele-laparoscopic manipulator. In Proccedings of 1999 IEEE In-ternacional Conference on robotics and Automation. Detroit, Michigan,paginas 1734–1739.

Faraz, A. y Payandeh, S. (2000). Engineering aproaches to Mechanical andRobotic Design for Minimally Invasive Surgery. Kluwer, EEUU.

Fei, B., Sing, W., y Kwoh, C. (2000). The hazard identification and safetyinsurance control (HISIC) for medical robot. In Proccedings of the 22ndAnnual EMBS International Conference. Chicago EE.UU.

Fernandez Lozano, J. J. (2002). Robots para movimiento de la camara encirugıa laparoscopica. Tesis Doctoral, Universidad de Malaga, Espana.

Finlay, P. y Ornstein, M. (1995). Controlling the movement of a surgirallaparoscope. In IEEE Engineering in Medicine and Biology.

Fukuda, T., Guo, S., Kosuge, K., Arai, F., Negoro, M., y Nakabayashi, K.(1994). Micro active catheter system with multi degrees of freedom. InProceedings of IEEE International Conference on Robotics an Automa-tion. San Diego, EE.UU, volumen 3, paginas 2290–2295.

Funda, J., Gruben, K., Eldridge, B., Gomory, S., y Taylor, R. (1995). Controland evaluation of a 7-axis surgical robot for laparoscopy. In Proceedingsof 1995 IEEE International Conference on Robotics and Automation,paginas 1477–1484.

190


Funda, J., Taylor, R., Eldridge, S., y k. Gruben (1996). Constrained cartesianmotion control for teleoperated surgical robots. IEEE Transactions onRobotics and Automation, 12(3):453–465.

Garcıa-Ruiz, A., Gagner, M., Miller, J., Steiner, C., y Hahn, J. (1998). Manualvs robotically assisted laparoscopic surgery in the performance of basicmanipulation and suturing tasks. Minimally Invasive Surgery Center, theCleveland Clinic Fundation. Arch-Surg. Ohio, EE.UU, 133(9):957–961.

Gomez-Fleitas, M. (2004). La necesidad de cambios en la formacion y lacapacitacion quirurgica: un problema pendiente de resolver en la cirugıaendoscopica. Cirugıa Espanola, 77(1).

Green, P., Hill, J., Jensen, J., y Shah, A. (1995). Telepresence surgery. IEEEEngineering in Medicine and Biology Magazine, 14(3):324–329.

Guerrouad, A. y Vidal, P. (1991). Advantage of computer aided teleoperation(cat) in microsurgery. In Fifth International Conference on AdvancedRobotics, paginas 910–914.

Guiochet, J. y Vilchis, A. (2002). Safety analysis of a medical robot for tele-echography. In Proceedings of 2nd IARP/IEEE-RAS Joint Workshop onTechnical Challenge for Dependable Robots in Human Environments.

Handini, D., Yeong, T., y Hong, L. (2004). System integration of neurobot:a skull-base surgical robotic system. In Proceedings of IEEE Conferenceon Robotics, Automation and Mechatronics, volumen 1, paginas 43–48.

Hurteau, R., DeSantis, S., Begin, E., y Gagner, M. (1994). Laparoscopicsurgery assisted by a robotic cameraman: Concepts and experimental re-sults. In Proceedings of 1994 IEEE International Conference on Roboticsand Automation, paginas 2286–2289.

Jacobson, I., Booch, G., y Rumbaugh, J. (1999). The Unified Software De-velopment Process. Addison-Wesley.

Jacoub, S. y Ammar, H. (2002). A methodology for architecture-levelreliabi-lity risk analysis. IEEE Transactions on Software Engineering,28(6):529–547.

191


Jakopec, M., Rodrıguez y Baena, F., Harris, S., Gomes, P., Cobb, J., y Davies,B. (2003). The hands-on orthopaedic robot acrobot: Early cilinical trialsof total knee replacement surgery. IEEE Transactions on Robotics andAutomation, 19(5):902–911.

Jianfeng, T., Shaoping, W., Yiping, Y., y Peiqiong, L. (1999). Reliabilityanalysis on combination of FMECA and FTA por redundant actuatorsystem. In Digital Avionics Systems Conference, 1999. Proceedings. 18th,volumen 1, paginas 3.B.2–1 – 3.B.2–6.

Kang, H. y Wen, J. (2001). Endobot: a robotic assistant in minimally invasivesurgeries. In Proccedings of the 2001 IEEE Internacional Conference onRobotics and Automation. Seoul, Korea.

Kazanzides, P., Mittelstadt, B., Bargar, B., Zuhars, J., Williamson, B., Cain,P., y Carbone, E. (1995). An integrated system for cementless hip replace-ment. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 14(3):307–313.

Kienzle, T., Stulberg, S., Peshkin, M., Quaid, A., Lea, J., Goswami, A., yWu, C. (1995). Total knee replacement. IEEE Engineering in Medicineand Biology Magazine, 14(3):301–306.

Ko, S., Kim, J., Kwon, D., y Lee, W. (2005). Intelligent interaction betweensurgeon and laparoscopic assistant robot system. In Proceedings of IEEEInternational Workshop on Robots and Human Interactive Communica-tion, paginas 60–65.

Ko, S. y Kwon, D. (2004). A surgical knowledge based interaction methodfor a laparoscopic assistant robot. In Proceedings of the 2004 IEEE In-ternational Workshop on Robot and Human Interactive CommunicationKurashiki, Okayama, Japan.

Kumar, R., Jensen, P., y Taylor, R. (1999). Experiments with steady handrobot in constrained compliant motion and path following. In Procced-ings of the 1999 IEEE Internacional Workshop on Robot and HumanInteraction. Pisa. Italia.

Madhani, A., Niemeyer, G., y Salisbury, K. (1998). The black falcon: Ateleoperated surgical instrument for minimally invasive surgery. In Proc-

192


cedings of the 1998 IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robots andSystems. Victoria B.C. Canada.

Martınez Rodrıguez, J. L. (2004). Control de Procesos Industriales. J. L.Martınez Rodrıguez, Espana, cuarta edition.

Mayer, H., Nagy, I., Knoll, A., Schirmbeck, E., y Bauemschmitt, R. (2004).The endo[pa]r system for minimally invasive robotic surgery. In Proceed-ings of 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robotsand Systems. Sendal, Japan.

Meister, D., Pokrandt, P., y Both, A. (1998). Milling accuracy in robot assist-ed orthopaedic surgery. In Proceedings of the 24th Annual Conference ofthe IEEE Industrial Electronics Society. IECOM 98, volumen 4, paginas2502–2505.

Mitsuishi, M., Warisawa, S., Tsuda, T., Higuchi, Koizumi, N., Hashizume, H.,y Fujiwara, K. (2001). Remote ultrasound diagnostic system. In Pro-ceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation,volumen 2, paginas 1567–1574.

Munoz, V., Fernandez Lozano, J., Gomez de Gabriel, J., Garcıa Morales,I., Molina Mesa, R., y Perez del Pulgar, C. (2003). On laparoscopicrobot design and validation. Integrated Computer Aided Engineering,10(3):211–229.

Niemeyer, G., Swarup, N., Guthart, G., Toth, G., Younge, R., y Nowlin,W. (2000). Camera referenced control in a minimally invasive surgicalapparatus. World patent WO0060521.

Nishikawa, A., Hosoi, T., Koara, K., Negoro, D., Hikita, A., Asano, S., Kaku-tani, H., Miyazaki, F., Sekimoto, M., Yasui, M., Miyake, Y., Takiguchi,S., y Monden, M. (2003). Face mouse: A novel human machine inter-face for controlling the position of a laparoscope. IEEE Transactions OnRobotics And Automation, 19(5):825–841.

Ortmaier, T. y Hirzinger, G. (2000). Cartesian control issues for minimallyinvasive robot surgery. In Proceedings of 2000 IEEE/RSJ InternationalConference on Intelligent Robots and Systems, paginas 465–571.

193


Polet, R. y Donnez, J. (2004). Gynecologic laparoscopic surgery with a palm-controlled laparoscope holder. In The Journal of the American Associa-tion of Gynecologic Laparoscopists, paginas 73–78.

RD 414/1996 (1996). Real decreto 414/1996, de 1 de marzo, por el que seregulan los productos sanitarios.

RD 561/1993 (1993). Real decreto 561/1993, de 16 de abril. requisitos parala realizacion de ensayos clınicos con medicamentos.

Riviere, C. y Thakor, N. (1996). Modeling and canceling tremor in human-machine interfaces. IEEE Engineering in Medicine and Biology Maga-zine, 15(3):29–36.

Rosen, J., Brown, J., Chang, L., Barreca, M., Sinanan, M., y Hannaford, B.(2002). The BlueDragon - a system for measuring the kinematics andthe dynamics of minimally invasive surgical tools in-vivo. In Proceedingsof the 2002 IEEE lntemational Conference on Robotics and Automation.Washington DC, paginas 1876–1881.

Rosen, J., Hannaford, B., MacFarlane, M., y Sinanan, M. (1999). Forcecontrolled and teleoperated endoscopio grasper for minimally invasivesurgery: Experimental performance evaluation. IEEE Transactions OnBiomedical Engineering, 46(10):1876–1881.

Rovetta, A. (2000). Telerobotic surgery control and safety. In Proceedingsof the IEEE International Conference on Robotics and Automation. SanFrancisco, paginas 2895–2900.

Sackier, J., Wooters, C., Jacob, L., Halverson, A., Uecker, D., y Wang, Y.(1997). Voice activation of a surgiral robotic assistant. George Washing-ton University , Washinton D.C. EE.UU.

Satava, R. (1998). Cybersurgery: Advanced Technologies for Surgiral Practice.Wiley-Liss, Nueva York.

Schraft, R. y Wapler, M. (1995). Manipulators make minimally invasivesurgery easier. In IFAC International Congress om Advanced Robotics.Barcelona, Espana.

194


Schurr, M., Arezzo, A., y Buess, G. (1999). Robotics and systems techno-logy for avanced endoscopio procedores: experiences in general surgery.European Journal of Cardio-thoracic Surgery, 16(2).

Sciavicco, L. y Siciliano, B. (2000). Modelling and Control of Robot Manipu-lators. Springer-Verlag, London.

Siebert, W. y Mai, S. (2001). One year clinical experience using the robotsystem Caspar for tkr. In Proceedings of CAOS USA 2001, Pittsburgh,paginas 141–142.

Tavakoli, M., Patel, R., y Moallem, M. (2003). A force reflective master-slave system for minimally invasive surgery. In Proceedings of the 2003IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robots and Systems. Las Ve-gas, Nevada, paginas 3077–3082.

Taylor, R., Funda, J., Elbridge, B., Gomory, S., Gruben, K., LaRose, D.,Talamini, M., Kavoussi, J., y Anderson, J. (1995). A telerobotic assistantfor laparoscopic surgery. IEEE Engineering in Medicine and BiologyMagazine, 14(3):279–288.

Taylor, R. y Stoianovici, D. (2003). Medical robotics in computer-integratedsurgery. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 19(5):765–781.

Turner, D. (1996). Solosurgery with the aid of a robotic assistant. SantaBarbara Cottage Hospital. California, EE.UU.

UNE-EN 60601-1 (1993). Equipos electromedicos. requisitos generales parala seguridad. Asociacion Espanola de Normalizacion y Certificacion.

Wang, Y. y Laby, K. (1998). Automated endoscope system for optimal posi-tioning. USA patent US5815640.

Wiesel, U., Lahmer, A., Tenbusch, M., y Boner, M. (2001). Total knee re-placement using the Robodoc system. In Proceedings of the 1st annualmeeting CAOS Int. Davos, Switzerland, pagina 88.

Yamada, Y., Yamamoto, T., Morizono, T., y Umetani, Y. (1999). FTA-basedissues on securing human safety in a human/robot coexistence system.In Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man, andCybernetics, volumen 2, paginas 1058 – 1063.

195


Yoshikawa, T. (1985). Manipulability of robotic mechanisms. InternationalJournal of Robotics Research, 4(2):3–9.

196

CONTROL OPERACIONAL DE UN ROBOT ASISTENTE PARA … Library/Doctoral... · 2007-02-21 · robotico...

Documents

Transcript of CONTROL OPERACIONAL DE UN ROBOT ASISTENTE PARA … Library/Doctoral... · 2007-02-21 · robotico...