Aplicaciones médicas de la robótica

Transcripción

Aplicaciones médicas de la
robótica
AlumniKaTH
Ing. Gabriel Gómez
Grupo de Robótica y Sistemas Integrados
Departamento Electrónica
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Universidad Nacional de Córdoba
Aplicaciones médicas de la Robótica
AlumniKaTH
Contenido
1. Robótica.
2. Aplicaciones médicas de la Robótica
2.1 Robots Quirúrgicos
2.2 Robots para rehabilitación
2.3 Otras aplicaciones
3. Conclusiones.
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1. Robótica
1. Robótica
¿Por qué este tema?
KIT Competence Portfolio:
AlumniKaTH
•
•
•
•
•
•
Matter and Materials
Earth and Environment
Information, Communication and Organisation
Applied Life Sciences
Technology, Culture and Society
Systems and Processes
1. Robótica
Competence Area "Applied Life Sciences“
•
•
•
•
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"Biotechnology"
"Toxicology and Food Science"
"Health and Medical Engineering"
"Cellular and Structural Biology"
1. Robótica
Competence Field "Health and Medical Engineering"
•
•
AlumniKaTH
•
•
•
This Competence Field is fostering the use of information technology in
telemedical applications and in the research of mobile monitoring
systems and wearable vital sensors. In focus is the development of
innovative sensing technologies for unobtrusive mobile monitoring as
well as a complete information chain from wireless data transmission
and mobile computing to distributed electronic patient records.
In addition, in this Competence Field, scientists collaborate who invent,
investigate and develop new technologies, systems, devices and
software to help physicians and patients in diagnosis and therapy, to
prevent diseases, to support rehabilitation and to help persons with
disabilities. Special expertise is available in computer assisted and
model based diagnosis and robot assisted interventions.
Contact:
Elected Representative: Prof. Dr. Olaf Dössel
Elected Deputy Representative: Prof. Dr. Heinz Wörn
1. Robótica
IPR (Institute of Process Control and Robotics)
•
Micro Mechatronics and Micro Robotics
•
Medical Group IPR
•
Humanoid Robots
•
I²Rob - Intelligent Industrial Robots
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1. Robótica
GRSI (Grupo de Robótica y Sistemas Integrados
•
Robótica
•
Control de Procesos Industriales
•
Control
•
Desarrollos mecatrónicos
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1. Robótica
Robótica:
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En 1922 Karel Capek introduce el termino “robot”
´50s: primeras aplicaciones relacionadas al area
nuclear (teleoperación)
´60s: primer robot programable (UNIMATE, GM)
´60s y ´70s: expansión en el área industrial
´80s: inclusión del tema en programas académicos
´90s: desarrollo de los robots de servicio
1. Robótica
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1. Robótica
AlumniKaTH
1. Robótica
AlumniKaTH
1. Robótica
AlumniKaTH
1. Robótica
AlumniKaTH
1. Robótica
Ever
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1. Robótica
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HPR-4C
1. Robótica
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Repliee Q1
1. Robótica
Hay varias definiciones aceptadas para el término Robot:
•
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•
RIA (Robotics Industries Association): "Un Robot es un
manipulador reprogramable multifuncional diseñado
para mover materiales, piezas, herramientas o
dispositivos especiales, mediante movimientos
programados variables para la realización de una
diversidad de tareas".
ISO (International Standard Organitation): "Manipulador
multifuncional reprogramable con varios grados de
libertad, capaz de manipular materias, piezas,
herramientas o dispositivos especiales según
trayectorias variables programadas para realizar tareas
diversas".
1. Robótica
AlumniKaTH
•
IFR (Federación Internacional de Robótica): "Por robot
industrial de manipulación se entiende a una máquina
de manipulación automática, reprogramable y
multifuncional con tres o más ejes que pueden
posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o
dispositivos especiales para la ejecución de trabajos
diversos en las diferentes etapas de la producción
industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento".
•
RAS (Robotics & Automation Society): "Manipulador:
Mecanismo formado generalmente por elementos en
serie, articulados entre sí, destinado al agarre y
desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede
ser gobernado directamente por un operador humano o
mediante dispositivo lógico".
1. Robótica
•
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AFNOR (Asociación Francesa de Normalización):
"Robot: Manipulador automático servocontrolado,
reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y
orientar piezas, útiles o dispositivos especiales,
siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la
ejecución de tareas varias. Normalmente tiene la forma
de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su
unidad de control incluye un dispositivo de memoria y
ocasionalmente de percepción del entorno.
Normalmente su uso es el de realizar una tarea de
manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios
permanentes en su material".
1. Robótica
Diagrama de bloques de un robot.
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1. Robótica
Diagrama de bloques de un robot.
AlumniKaTH
1. Robótica
Diagrama de bloques de un robot teleoperado:
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1. Robótica
Aplicaciones.
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•
•
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•
•
•
•
Espacio
Construcción / Demolición
Submarino
Nuclear
Limpieza
Agricultura
Domésticos y de oficina
Militares, rescate y seguridad
Ocio y entretenimiento
Médico
1. Robótica
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2. Aplicaciones Médicas de la Robótica
Aplicaciones:
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•
Robots quirúrgicos:
–
CAD/CAM
–
Asistentes para el cirujano
•
Robótica y rehabilitación:
–
Asistentes robóticos
–
Prótesis
–
Ortesis
–
Terapia de rehabilitación asistida robóticamente
2. Aplicaciones Médicas de la Robótica
Aplicaciones.
•
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Otras aplicaciones de la robótica en medicina:
–
Asistentes hospitalarios
–
–
–
Entrenamiento
Robótica y educación especial
Microrobots
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2.1 Robots Quirúrgicos
2. Robots quirúrgicos
Asociación de gente y máquinas para hacer ciertas
tareas delicadas mejor de lo que lo harían solos.
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Cirujanos
• Habilidades :
– Diestros, bastante fuertes y rápidos.
– Variedad de habilidades táctiles y visuales.
– Adaptables.
– Comprensión del proceso.
– Analizan su rendimiento y aprenden mejorando con la práctica.
• Limitaciones:
– No poseen precisión geométrica (posición trayectoria, esfuerzos).
– No toleran las radiaciones ionizantes.
– No están bien en espacios reducidos ni durante mucho tiempo.
– Pequeños temblores inadecuados para pequeñas estructuras.
– Envejecen y pierden parte de su habilidad manual.
– Se cansan y cometen errores.
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Robots
• Ventajas:
– Precisas e incansables.
– Sensores para posicionar instrumentos en 6 GDL y controlar
esfuerzos.
– Pueden ser miniaturizadas y soportar grandes dosis de radiación.
– Pueden ser fiables.
– Pueden registrar sus movimientos para análisis.
• Debilidades:
– Deben obedecer las ordenes del cirujano (responsable de todo lo
que pasa en quirófano).
– Requieren información geométrica difícilmente expresable
lingüísticamente.
– ¿Cómo se sabe que la máquina ha “comprendido”?
– ¿Cómo puede ayudarnos a evitar dañar al paciente?
Una clasificación:
• CIS (Cirugía Integrada por computador)
–
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CAD/CAM
• Asistentes del cirujano
–
–
Extensión del Cirujano
Soporte auxiliar para el Cirujano
Flujo de información en sistemas CAD/CAM
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Sistemas Típicos CAD/CAM
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•
ORTHODOC: Verificación de datos de CT
Localización del implante
•
ROBODOC: Verificación de los datos
recibidos
ROBODOC:
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Acrobat
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Caspar
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VENTAJAS
RETOS A FUTURO
• Precisión
• Consistencia
• Ambiente virtual
• Reducción del Setup
• Módulo genérico
económico
Asistentes para el Cirujano
• Extensiones del cirujano
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Da Vinci
(Intuitive Surgical)
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• Zeus (Computer Motion)
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Asistentes para el Cirujano
• Soporte auxiliar para el cirujano
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Aesop
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Extensiones del Cirujano Soporte Auxiliar
• Capacidades
• Interfase de control
superhumanas
directa
• Condiciones difíciles
• Minimización errores • Herramientas inteligentes
• Reducción de tiempos
Consideraciones de diseño
Diseño Industrial
Robot Industrial
Adaptaciones
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ROBOTS MÉDICOS
Concepción “no médica” de diseño
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El Diseño Médico permite
Compatibilidad con el “operating room”
Eficacia en el uso
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Montaje apropiado
Facilidad en la esterilización
Seguridad
Adaptación al diagnóstico por imágenes
Compatibilidad con el “operating theater”
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Adaptación al Diagnostico por Imágenes:
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2.2 Robots para rehabilitación
2.2 Robots y rehabilitación
2.2 Robots y Rehabilitación:
• Dispositivos Asistenciales:
* De asistencia general
* De asistencia a la movilidad
* De asistencia a las tareas cotidianas y laborales
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• Prótesis
• Ortesis
• Terapia de rehabilitación asistida robóticamente
Dispositivos Asistenciales:
* De asistencia general:
•
•
•
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Handy 1
MANUS
Raptor
Dispositivos Asistenciales (Asistencia General):
Handy 1
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•Topping (1987) - Rehab Robotics Limited, Inglaterra
•Descripción: Brazo-mano (5 DOF)
•Aplicación asistencial en funciones de:
–
–
–
–
–
Comer
Tomar
Aseo
Afeitar
Cepillado dental
Handy 1
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Dispositivos Asistenciales (Asistencia General):
Manus
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•Exact Dynamics, Holanda
•Descripción: Brazo-mano montado en silla (6+2 DOF)
–
–
–
–
–
–
Comer y tomar
Preparación de comidas con utensilios de cocina
Toma de medicamentos
Rascarse
Aseo personal
Quehaceres domésticos
Manus
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Manus (accesorios)
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Dispositivos Asistenciales:
* De asistencia a la movilidad:
•
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MAid
Dispositivos Asistenciales (De asistencia a la movilidad):
Mobility Aid for Elderly and Disabled People (MAid)
Sistemas de Navegación:
NAN (Narrow-Area Navigation)
El sistema conoce un punto de llegada y una orientación y
navega derecho hasta ese punto.
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WAN (Wide-Area Navigation)
El sistema se mueve hasta el punto de llegada pero puede
identificar y esquivar obstáculos. También puede seguirlos.
Mobility Aid for Elderly and Disabled People (MAid)
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Prótesis: dispositivo mecánico que sustituye
alguna parte del cuerpo humano
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Prótesis
The Utah Arm
•Jacobsen (University of Utah), Motion Control, Inc.,USA
•Descripción: Brazo-mano protésico (6 DOF)
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–
–
–
–
–
–
Comer y tomar
Preparación de comidas con utensilios de cocina
Toma de medicamentos
Rascarse
Aseo personal
Quehaceres domésticos
The Utah Arm
1978
2003
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Utah Arm 2 “U2”
1997-present
Utah Arm 1:
1981-1996
“U3”
2004 +
Myoelectric Elbow + Hand + Wrist
ProControl:
1989-1998
MicroControllers for Hand + Wrist
ProControl 2:
1998-present
Múltiples Accesorios:
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•ETD (Electric Terminal Device)
•SensorHand
•Motion Control Hand
•CentriHand
•otros
The SmartHand
• Scuola Superiore Sant'Anna, IT
• Descripción: Mano protésica antropomórfica
con 5 dedos (20 DOF)
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The SmartHand
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El proyecto de Smart Hand
tiene como objetivo la
ambiciosa tarea de lograr
una prótesis de mano que
emule el comportamiento
natural de la porción más
distal del miembro superior.
Prosthetic Knee
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• Hugh Herr et al., MIT
LegLab, USA
• Descripción: Miembro
inferior protésico
antropomórfico con
articulación de rodilla.
Prosthetic Knee
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Permite a los amputados por
encima de la rodilla, caminar, y subir
y bajar escaleras de una manera
natural. No requiere la intervención
de un protesista, para poner a punto
la prótesis.
Ortesis
Exoskeleton Prototype 3
• Rosen et al., University of Washington
• Descripción: Exoesqueleto de múltiples GDL.
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Ortesis:
Prototipos de Exoesqueletos
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Ortesis:
Prototipos de Exoesqueletos
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Terapia de rehabilitación asistida robóticamente
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2.3 Otras Aplicaciones
- Asistentes Hospitalarios
HelpMate
(HelpMate Robotics)
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2.3 Otras Aplicaciones
- Asistentes TelePresencia
RP-7 (Intouch Health)
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3 Conclusiones
-La robótica ya ha producido avances en el varios campos
(cirugía, la rehabilitación, prótesis, entrenamiento, etc.)
- El rol principal de la robótica en medicina debería ser el de
permitir nuevos procedimientos hasta ahora imposibles como
los de microcirugías.
- Falta de aceptación inmediata por
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-
Razones psicológicas
Razones técnicas
- Desafío:
-
Sala de Operación del Futuro (integración, simplificar
setup)
Diseño basado en conceptos médicos
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¿Consultas?

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