1INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Rafael BareaRafael Barea
Departamento de Electrónica. Universidad de Alcalá. Alcalá de Henares. Madrid. (Spain)
ROBROBÓÓTICA MTICA MÉÉDICADICA
2INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
• Introducción a la robótica médica. • Aplicaciones de la robótica en medicina
(Medical robotics). – Cirugía robótica.– Robótica en rehabilitación – Robótica asistencial– Robótica diagnóstica
Índice
3INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Historia. Evolución instrumental quirúrgico
Roma. Siglo I a.c.
Egipto. S. XV a.c Inst. Árabe S. XV
Holanda. Siglo XVSiglo XIV
Amputation Saw (1600s)
Amputation Knife(1700s)
4INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Historia. Evolución instrumental quirúrgicoHirtz Compass (1915)
Quirófano S. XX Quirófano S. XXIRX
5INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Historia. Evolución cirugía
CIRUGÍAABIERTA
CIRUGÍALAPAROSCÓPICA
CIRUGÍAROBÓTICA
6INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
• Robótica médica (medical robotics)Incorpora el uso de robots en medicina
Cirugía robóticaRobots quirúrgicos
Tecnologías asistencialesRobótica asistencial
Robótica en rehabilitación
Robótica no quirúrgicaRobots para
diagnosis/entrenamiento
Aplicaciones de la robótica en medicina
Robótica Médica
7INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
• Robótica médica (medical robotics)
Aplicaciones de la robótica en medicina
Tecnologías asistencialesRobótica asistencial
Robótica en rehabilitación
Robots y máquinas que mejoran la calidad de vida a personas discapacitadas y/o mayores. Principalmente mejorando la independencia personal.
• Asistentes robóticos• Prótesis – Órtesis• FES
8INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Los robots asistentes o asistenciales están destinados a proporcionar asistencia a personas mayores, enfermas o con algún tipo de discapacidad, en entornos específicos como hospitales, residencias e incluso hogares particulares.
Robots sociales: El objetivo primordial que se persigue es la interacción social con el usuario, proporcionándole compañía, conversación, tareas de monitorización, vigilancia, etc.
Tecnología asistencial. Robots asistenciales
Papero 2005
9INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Tecnología asistencial. Robots asistenciales MANUS 80’s MOVAID 1994 Care-o-Bot MORPHA 2003
RP-7 2007HELPMATE 1997
10INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Proyecto Proyecto NursebotNursebot (Enfermera rob(Enfermera robóótica) 2003tica) 2003
• Objetivo: prestar ayuda en las tareas diarias a ancianos que sufran desórdenes crónicos
• Tareas: Agenda recordatorio inteligente, Telepresencia, Telemedicina, Monitorización, Transporte de objetos, Interacción social y Robot lazarillo.
Navegación: ultrasonidos + láser.
Tecnología asistencial. Robots asistenciales
11INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Proyecto CareProyecto Care--OO--BotBot
Tecnología asistencial. Robots asistenciales
Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation (IPA)in Stuttgart
CareobotCareobot
12INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Objetivos:
Implementación de un sistema de guiado autónomo móvil con aprendizaje del entorno.
Diseño de un interfaz visual y acústico.
Diseño de un sistema de tele-presencia.
Sistema de tele-medicina.
Sistema de diagnosis inteligente.
Integración modular y evaluación.
NAVIGATION
Planning navigation
Ultrasonic sensor
Bumpers
Vision
ENVIROMENT PERCEPTION HUMAN-MACHINE INTERFACES
Voice
Joystick, Keyboard
Screen
Input Devices
Output Devices
Tactile screen
Loudspeaker
TELECOMMUNICATIONINTERFACES
Screen
Loudspeaker
Tele-presence
Tele-medicine
Proyecto SIRAPEMProyecto SIRAPEM
Tecnología asistencial. Robots asistenciales
13INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Vision activa(Cámara&laser)
Sensores de ultrasonidos
Visión pasiva
PSD & IR
Movimientos de cabeza
Expulsión de aire
Reconocedor de voz
Electrooculografía
Joystick
Control ynavegaciónalto nivel
Controlde bajo
nivelDisplay &
sintetizador de voz
Sensores de Visión
Sensores de infrarrojos
PERCEPCIÓN DEL ENTORNOINTERFAZ USUARIO-SILLA
Seguridad de bajo nivel
ENTORNO ENTORNO
MÓDULOS DE
PROCESAMIENTO
SIAMO
MÓDULOS DE
PROCESAMIENTO
Tecnología asistencial. Sistemas robóticos
SIAMOSIAMO
14INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Tecnología asistencial. Sistemas robóticos
Silla de ruedas
$
$
&$
&$
X
X
X
X
h
v
h
v
⎡
⎣
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
Vcmd
cmdΩ⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
Generadorcomandos
Seguridad
[Comando]
Adquisicióndel EOG
Modelo delojo
RealimentaciónAudio-visual
posición ocularMov. ojos
Ajusteparámetros
Pantalla táctil PC portá til
Altavoz Pantalla
Estudio del EOG
Estudio S.M.O
Guiado
Estrategias de guiado• Acceso directo a interfaz gráfico• Acceso mediante barrido (scan)• Comandos oculares
STOP
ATRÁS
STOP
STOP ADELAN. STOP
IZQ.
DER.
Arquitectura EOG
15INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Proyecto Stand Up Proyecto Stand Up andand WalkWalk (lev(leváántate y anda) ntate y anda) -- UEUE• Restauración parcial de la función locomotora en pacientes con paraplejías
FES (Estimulación Eléctrica Funcional) → Aplicación de una corriente de baja frecuencia para producir una respuesta en ciertos músculos paralizados.
Tecnología asistencial. FES
16INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Proyecto FES Proyecto FES CyclingCycling• Centre for Rehabilitation Engineering • University of Glasgow• Estimulación eléctrica de los músculos de las piernas
Tecnología asistencial. FES
cycling.mpgcycling.mpg
17INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Tecnología asistencial. PrótesisPrPróótesis tesis MioelMioelééctricasctricas• Control a partir de señales mioeléctricas• Posible realimentación de posición y fuerza mediante presión sobre el
miembro residual, movimiento del sensor sobre la piel o estimulación eléctrica. Brazo biBrazo bióónico DARPA 2007nico DARPA 2007
Dean Dean KamenKamen’’ss BionicBionic ArmArmDarpaBionic.mpgDarpaBionic.mpg
Video MonoVideo Mono--brazobrazo
18INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
DefiniciónLas prótesis visuales son dispositivos o elementos que sustituyen las
partes dañadas del Sistema Visual ⇒ Electrónica.
Clasificación
Prótesis visuales
- Estéticas
- Medios transparentes
- Implante retinal. Estimulación retina.
- Implante cortical. Estimulación cerebro.
- Implante nervio óptico
- Cristalino- Queratoprótesis
Tecnología asistencial. Prótesis visuales
19INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Ojo estético (Ojo de cristal)
Ojo estético robótico
• The Robotic Prosthetic Eye Project (Universidad Alberta, Canadá)
• Objetivo: mejorar la estética de las prótesis oculares dotándolas de
movimiento.
a) b)
Prototipos del Robotic Prosthetic Eye Project. a) Infrarrojos. b) Electrooculografía
Tecnología asistencial. Prótesis visuales
20INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Arquitectura general
Cámara MiniaturaSensor distancia (láser)ProcesadorConector percutáneoElectrodos
Proyecto Dobelle. Implante cortical
Temporización
1970-2 Estimulación1972-3 Implantes temporales1978 Implantes definitivos
Tecnología asistencial. Prótesis visuales
21INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Estimulación ⇒ Fosfenos (fogonazos de luz, estrellas en el cielo).
Mapeado fosfenos (Mapa Visual)
Parámetros de estimulaciónTren de 6 pulsos simétricos y bipolares
(500μs, amplitud configurable)4 Frames/sec.
Capaz de contar dedosViajar en metro (N. York)Problema: confundir puerta abierta con espacio entre vagones
Resultados Persona ciego total
Mejores resultadosDistancia ⇒ 5 piesAltura letras ⇒ 6 pulgadasAgudeza visual ⇒ 20/1200
Pruebas Agudeza visual
Implantado en 197841 años de edad
Tecnología asistencial. Prótesis visualesVideo conducciVideo conduccióónn
22INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Tecnología asistencial. Instrumentista quirúrgico
CIRUJANO
ALTAVOCES
MICROFONO
CPU
LASER CÁMARA
BRAZO ROBOT
GRASPER
INSTRUMENTAL QUIRÚRGICO
PANTALLA TÁCTIL
CIRUJANO
ALTAVOCES
MICROFONO
CPU
LASER CÁMARA
BRAZO ROBOT
GRASPER
INSTRUMENTAL QUIRÚRGICO
PANTALLA TÁCTIL
• Objetivo: Desarrollar el prototipo de un sistema robótico para la realización de funciones de instrumentista quirúrgico en aquellas operaciones que no requieran la utilización de un instrumental ni complejo ni demasiado numeroso.
VVíídeo IQdeo IQ
23INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
• Robótica médica (medical robotics)
Aplicaciones de la robótica en medicina
Tecnologías asistencialesRobótica asistencial
Robótica en rehabilitación
– Robots en rehabilitación neuromotora
– Robots en terapia ocupacional
24INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
La rehabilitación es el conjunto de procedimientos dirigidos a ayudar a una persona a alcanzar el más completo potencial físico, psicológico, social, vocacional y educacional compatible con su deficiencia fisiológica o anatómica y limitaciones medioambientales.
Tecnología de rehabilitación
• Selección, diseño y/o fabricación de dispositivos de asistencia apropiados para la persona discapacitada.
• La selección se realiza en función de la discapacidad, de si la funcionalidad debe ser aumentada o restaurada y de los deseos del usuario.
Objetivos:
• Desarrollo de equipos especializados para la rehabilitación muscular.
• Reeducación de pacientes. Información del proceso.
Robótica en Rehabilitación
25INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Robótica en Rehabilitación
Monark Rehab trainer
Walking Rehabilitation Robot
Hand MentorExoskeleton
Bicicletas estáticasCintas transportadorasPlataformas específicas
Equipos especializados en Equipos especializados en rehabilitacirehabilitacióón muscularn muscular
26INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
LOKOMAT LOKOMAT • Rehabilitación de la marcha en lesiones medulares• Consta de un sistema para cargar con el peso del paciente y de un
andador automático• El robot mueve las piernas del paciente de forma sincronizada con el
andador, controlando los ángulos de las rodillas y las caderas para simular la acción de caminar y en una postura correcta
Robótica en Rehabilitación
27INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Sistemas de Rehabilitación
• Plataforma compacta de Stewart, que proporciona la regeneración de la fuerza de 6 DOF.
• Simulación de un vehiculo: pedal = plataforma• Conectadas con un solo interfaz del control a través de
líneas eléctricas y neumáticas.• Pie como palanca de control.• Interfaz del control y capta y envía los datos PC del
anfitrión.
Tobillo de Tobillo de RutgersRutgers -- ReeducaciReeducacióón Mediante R. Virtualn Mediante R. Virtual
28INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Sistemas de RehabilitaciónRutgersRutgers Master IIMaster II• Interfaz háptico.• Diseñado para las interacciones en ambientes virtuales.• Regeneración de la fuerza hasta 16 N.
Ball Ball SqueezingSqueezing PowerPower PuttyPutty PegboardPegboard
29INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
• Robótica médica (medical robotics)
Aplicaciones de la robótica en medicina
Cirugía robóticaRobots quirúrgicos
Tecnologías asistencialesRobótica asistencial
Robótica en rehabilitación
Robótica no quirúrgicaRobots para
diagnosis/entrenamiento
30INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Robótica diagnóstica. Imágenes médicas
RMTAC
SISTEMAS DE IMSISTEMAS DE IMÁÁGENES MGENES MÉÉDICASDICAS
RX
31INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
HIPPOCRATE 1999
Robotic Tele-echography (TER) 2001
Ultrasound robot 1999
Robótica diagnóstica. Tele-ecografía
ESTELEESTELE
32INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Robótica diagnóstica. Endoscopia
• Estudio del esófago y del tracto gastrointestinal.• Equipamiento: 2 minicámaras color, alimentación y fuente de luz.• 14 imágenes/segundo.• Imágenes transmitidas a DataRecorder™.
Más confortable que el sistema actual
CCáápsula Endoscpsula Endoscóópica pica PillCamPillCam™™
33INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
SimMan 3G, un robot para estudiantes de medicina
Robótica diagnóstica/entrenamiento. Simuladores.
• El prototipo de robot es capaz de llorar, sudar, hablar, abrir y cerrar los ojos, vomitar o sangrar según el trato que le den los estudiantes en prácticas. El aparato también reacciona a más de 100 tipos de medicamentos y las dosis que los estudiantes le introduzcan.
• En 2001 había unos 100 simuladores, la mayoría de ellos en EstadosUnidos. En ocho años, se ha ascendido a más de 10.000 equipos en todo el mundo.
http://www.laerdal.com/
34INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
SimNewB, bebé robot para simular los primeros minutos de vida
Robótica diagnóstica/entrenamiento. Simuladores.
• Bebé robot para simular los primeros minutos de vida• 51 cm - 3,5 kilos. • Simula acciones y movimientos: respiración, llanto(distintos grados de
intensidad).• También lleva su propio cordón umbilical, transmite constantes vitales y es
capaz de lanzar indicios como la dilatación de las pupilas o la flacidez muscular.
http://www.laerdal.com/
35INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Simroid
Robótica diagnóstica/entrenamiento. Simuladores.
• Herramienta de formación para dentistas• Es capaz de seguir las instrucciones habladas• Reaccionar de manera humana ante el dolor, gracias a que en el interior
de su boca está lleno de sensores.• Gracias al comportamiento de este robot, los dentistas aprender a tratar
mejor a sus pacientes “reales”.
36INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Pregnant Robot Trains Students
Robótica diagnóstica/entrenamiento. Simuladores.
37INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
• Robótica médica (medical robotics)Pretende incorporar el uso de robots en medicina
Aplicaciones de la robótica en medicina
Cirugía robóticaRobots quirúrgicos
Tecnologías asistencialesRobótica asistencial
Robótica en rehabilitación
Robótica no quirúrgicaRobots para
diagnosis/entrenamiento
38INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
La cirugía robótica es la aplicación de robots a las diferentes técnicas quirúrgicas y consiste en el tratamiento de un paciente mediante robots especializados manejados por un cirujano.
Las ventajas más significativas en la cirugía robótica están directamente relacionadas con el hecho de que esos sistemas permiten la utilización de endoscopia como técnica de operación → Cirugía robótica mínimamente invasiva.
• menores complicaciones • mayor bienestar postoperatorio • menor tiempo de hospitalización y de baja laboral
Cirugía robótica. Robots quirúrgicos
Fuente: Université ’Orléans
Robots en los distintos campos de la medicina
39INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
• Dificultades que los robots pueden solucionar • Localización (posición y orientación) precisa de instrumental, ayudados por
sistemas de imágenes médicas. • Trayectorias complejas y precisas (taladros, radiar un tumor desde múltiples
puntos) • Eliminación del problema de la coordinación manos-ojos (en MIS-
laparoscopia)• Manejo de cargas pesadas (microscópios).• 3ª mano (manejo cámara en laparoscopia).• Etc…
• Mejoras robots Versus procedimiento manual• Compensación temblores mano cirujano• Movimientos y escalado (microcirugía)• Mayor comodidad para el cirujano (posición más natural).
• Valores añadidos • Entrenamiento cirujanos / Planificación operaciones → RV.
Cirugía robótica. ¿Pueden los robot ayudar?
40INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
• Relación coste/eficacia → No demostrados todavía• Los beneficios deben justificar coste/complejidad• Existencia de equipo técnico (manejo sistema robótico) en el quirófano• Fácil de manejar por los cirujanos• Debe reducir coste quirófano → no dispararlo
• Estudio del valor clínico → No está claro• Difícil realizar estudios comparativos entre técnicas robóticas y convencionales
puesto que los procedimientos son muy distintos.• Problema “huevo-gallina”. Es necesario desarrollar el sistema robótico antes de
demostrar su utilidad• Facilidad de configuración e instalación → Compatible con las instalaciones
del quirófano• Interfaces amigables
Cirugía robótica. ¿Pueden los robot ayudar?
• Seguridad• El robot comparte espacio de trabajo con el personal médico y los pacientes• Conceptos como “prueba y error” o “inténtelo de nuevo” no están permitidos• Esterilización del sistema robótico
• Problemas uso de robots en quirófanos
41INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Clasificación de sistemas de cirugía robótica En función de la manera de interacción con el cirujano → 3 clases
• Sistemas de control supervisado El cirujano programa con antelación los movimientos a que serán ejecutados por el robot
• Sistemas de control compartido El robot garantiza que el cirujano ejecute movimientos estables mientras el cirujano controla todo el proceso
• Sistemas tele-quirúrgicosEl cirujano ejecuta la cirugía a una cierta distancia de la mesa de operaciones. A través de sistemas de realimentación, el cirujano es capaz de “sentir” el entorno de operación. El cirujano controla los movimientos de los manipuladores roboticos.
Cirugía robótica. Robots quirúrgicos
42INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
NEUROMATE 1999
MKM Zeiss
SPINEASSIST 2004 STEALTHSTATION
PATHFINDER 2006
Cirugía robótica. Estado Arte - Neurocirugía
43INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
STEALTHSTATION
Cirugía robótica. Estado Arte - Neurocirugía
TREON™StealthStation® ION™
Planificación Virtual Imágenes 3Den tiempo real
Instrumentos virtuales. Tracking de trayectoria y posición
44INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
ROBODOC 1992
ORTHOPILOT 2004-2007
CASPAR 1997
Cirugía robótica. Estado Arte - Ortopedia
45INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Terapia percutáneaPROSTATE BIOPSY ROBOT ACUBOT
INNOMOTION
46INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Robot Robot CyberKnifeCyberKnife -- AccurayAccuray• El sistema CyberKnife es el primer sistema del mundo de radiocirugía robótica diseñado
para tratar tumores en cualquier parte del cuerpo. • El sistema CyberKnife trata a los pacientes en sesiones únicas o por etapas (normalmente
entre dos y cinco) aplicando múltiples rayos de radiación directa que convergen en el tumor, a la vez que minimizan el daño producido al tejido sano circundante. La orientación de imagen y la robótica controlada por ordenador se combinan para localizar, detectar y corregir de forma continuada los progresos del tumor y del paciente durante el tratamiento con una precisión sub-milímetro.
Cirugía robótica. Radiocirugía
ciberknife2.ciberknife2.flvflv
47INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
AESOP (CM, 1992)
ESOPO 1993
ZEUS (Computer Motion, 1998)
DA VINCI (Intuitive Surgical, 1999)
Cirugía robótica. Estado Arte – CRMI (MIS)
ARTEMIS 1996
48INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Robot Da Vinci Arquitectura Robot Da VinciArquitectura Robot Da Vinci
49INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Robot Da Vinci Arquitectura Robot Da VinciArquitectura Robot Da Vinci
50INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Robot Da Vinci Arquitectura Robot Da VinciArquitectura Robot Da Vinci
51INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Robot Da Vinci Arquitectura Robot Da VinciArquitectura Robot Da Vinci
52INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Robot Da Vinci Sistema visión
Endoscopio 3-D de alta resolución y el equipo de procesamiento de imágenes
Robot auxiliar3 o 4 brazos robot
Instrumental EndoWrist
53INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Robot Da Vinci
54INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Robot Da Vinci Comparativa open vs. laparoscopic vs. da Vinci Surgery for prostate cancer
76%71%86%12 monthSexual function
83%93%97.4%12 month77%80%94.9%6 month62%54%92.9%3 month
Urinary function
2.5 days3 days1.2 daysLength of stay (LOS)
380 ml1355 ml109 mlEstimated blood loss (EBL)
Complications
LapOpendaVinci©Outcome
Fuente: Swedish Urology Group
55INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
• Da vinci en Europa 2009
Hospital Name City Clinica Virgen Blanca Bilbao Fundacio Puigvert BarcelonaHospital Civil Carlos Haya Málaga Hospital Clinico San Carlos Madrid Hospital Ruber Internacional Madrid Hospital Virgen del Rocio Sevilla
Cirugía robótica. Robot Da Vinci
País N USA 210 Alemania 17 Francia 20 UK 12 Italia 20 España 6
56INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Futuro
Clinical Training
Cirugía remota
Quirófano ambulante
57INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Futuro
Cirugía a domicilio
58INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
Cirugía robótica. Futuro
Cirugía en el campo de batalla
59INGENIERÍA BIOMÉDICA - MOSEA
¡¡Gracias por su AtenciGracias por su Atencióón!n!