Κατασκευή και έλεγχος ρομποτικής πλατφόρμας για χειρουργικές λαπαροσκοπικές επεμβάσεις

Abstract

This dissertation presents the development and control of innovative roboticsystems, aiming at applications of minimally invasive robotic-assisted surgicaloperations. The developed systems bear many innovative features, including theadditional degrees of freedom compared to commercial systems, the modulardesign, the mobility, the easiness in surgical instrumentation change, the low costand the open-source supportive software. Specifically, the developed robotic systems consist of extraoperative degreesof freedom allowing the insertion to the operating cavity, as well as intraoperativedegrees of freedom allowing to move micro-medical instrumentation towards thepoint of interest. The construction was done using rapid prototyping techniques ina parametric manner, which justifies the modular nature of the developed robots. An important factor contributing to the feasibility of the innovative featuresis the use of shape memory alloy actuators for the actuation of the intraoperativedegrees of freedom. These alloys, despite the difficulties they pose in terms ofcontrol, allow to rapidly decrease the weight of the structures, while providingbiocompatibility and potential future use in an MRI environment. Electronics areembedded into the robot structure and allow for stroke feedback from the actuators.At the distal tip of the robotic systems an additional stereoscopic camera, aswell as LED illumination are fitted, so as to closely visualize the tissue interactionpoint. The main attribute of the architecture is the lack of need for a secondinsertion port for endoscopic instrumentation, leading to faster recovery times andfaster surgical operations. The control of the robotic systems is done using proper modular algorithms.A supportive training software has been developed, allowing also to visualizethe robot and use preoperative planning techniques. The manipulation of theinstrumentation is done using haptic devices specifically designed for surgicaloperations. The systems are evaluated regarding their autonomy, as well as in endoscopicexperiments, so as to reach conclusions regarding their functionality and potentialclinical use.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την κατασκευή και τον έλεγχοκαινοτόμων ρομποτικών συστημάτων με στόχο την εφαρμογή τους σε ελάχισταεπεμβατικές, ρομποτικά υποβοηθούμενες, χειρουργικές επεμβάσεις. Τα συστή-ματα που κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό φέρουν πληθώρα καινοτόμων χα-ρακτηριστικών με τα βασικότερα να αποτελούν τους αυξημένους βαθμούς ελευ-θερίας σε σχέση με υπάρχοντα εμπορικά συστήματα, τη δομοστοιχειωτή φύση,τη φορητότητα, την εύκολη αλλαγή χειρουργικών εργαλείων, το χαμηλό κόστος,καθώς και το ανοιχτού πηγαίου κώδικα υποστηρικτικό λογισμικό τους. Ειδικότερα, τα υλοποιηθέντα ρομποτικά συστήματα αποτελούνται από έξω-επεμβατικούς βαθμούς ελευθερίας που επιτρέπουν την εισχώρηση στην χειρουρ-γική κοιλότητα και έσω-επεμβατικούς βαθμούς ελευθερίας, ώστε να καθοδηγη-θούν μικροσκοπικά ιατρικά εργαλεία στο σημείο ενδιαφέροντος. Η κατασκευήέγινε με μεθόδους ταχείας προτυποποίησης και με παραμετρικά εκφρασμένα δο-μικά χαρακτηριστικά, οδηγώντας σε δομοστοιχειωτού χαρακτήρα ρομπότ. Ένας σημαντικός παράγοντας που συντελεί στην επίτευξη των ανωτέρω και-νοτομιών είναι η χρήση μορφομνήμονων κραμάτων νικελίου-τιτανίου για τηνενεργοποίηση των αρθρώσεων των έσω-επεμβατικών βαθμών ελευθερίας. Τακράματα αυτά, παρά τη δυσκολία στον έλεγχό τους, δίνουν την δυνατότητα ναμειωθεί αισθητά το βάρος των κατασκευών, ενώ παράλληλα εγγυώνται βιοσυμβα-τότητα και μελλοντική πιθανή χρήση σε περιβάλλον μαγνητικού τομογράφου. Ταηλεκτρονικά κυκλώματα που υλοποιήθηκαν για την οδήγηση των βαθμών ελευθε-ρίας ενσωματώνονται στο ρομπότ και επιτρέπουν την ανάδραση θέσης από τουςπροαναφερθέντες ενεργοποιητές. Στο άκρο των ρομποτικών βραχιόνων τοποθετείται, πέραν του κατ' επιλογήχειρουργικού εξοπλισμού, στερεοσκοπική κάμερα και φωτισμός, ώστε να είναιεφικτή η οπτικοποίηση σε μικρή απόσταση του σημείου αλληλεπίδρασης με τονιστό. Η κύρια επέκταση της συγκεκριμένης δομής είναι ότι δεν απαιτείται πλέονη χρήση δεύτερης οπής για εισχώρηση ενδοσκοπίου, πράγμα πολύ σημαντικό γιατον χρόνο αποκατάστασης και τη χρονική διάρκεια των χειρουργικών επεμβά-σεων. Ο έλεγχος των ρομποτικών συστημάτων γίνεται με χρήση κατάλληλων εύκολαεπεκτάσιμων αλγορίθμων, ενώ παράλληλα έχει αναπτυχθεί κατάλληλο λογισμικόεκμάθησης, οπτικοποίησης της θέσης και προ-εγχειρητικής καταχώρησης επιθυ-μητών θέσεων. Ο χειρισμός των συστημάτων γίνεται με χρήση συσκευών απτικήςανάδρασης. Τα συστήματα αξιολογούνται τόσο όσον αφορά την αυτονομία τους, όσο καισε κλασικά ενδοσκοπικά πειράματα, ώστε να είναι δυνατή η εξαγωγή συμπερα-σμάτων αναφορικά με την λειτουργικότητά και την δυνατότητα κλινικής εφαρμο-γής τους.