Aplicación de un enfoque basado en modelos para el desarrollo de robots microquirúrgicos

Las técnicas y herramientas microquirúrgicas permiten a los cirujanos realizar procedimientos complejos en nervios, vasos sanguíneos y estructuras diminutas de tejido humano con una precisión excepcional. Si bien la microcirugía es muy prometedora para mejorar los resultados en pacientes, operar en espacios de trabajo muy restringidos a escalas submilimétricas requiere una estabilidad y destreza extraordinarias. Un cirujano experto puede conectar vasos sanguíneos de entre 0,3 y 0,8 milímetros (mm) de diámetro. Sin embargo, el inevitable temblor de la mano del cirujano limita la eficacia de tales procedimientos de anastomosis. Además, los desafíos cinemáticos y de espacio limitado en una anatomía confinada pueden requerir múltiples iteraciones de diseño que consumen mucho tiempo y son costosas.

Los robots microquirúrgicos pueden ayudar a los cirujanos a superar las limitaciones impuestas por los espacios estrechos, los temblores de las manos y la fatiga. El diseño de estos robots, sin embargo, introduce nuevos desafíos. Primero, para reducir el tiempo que los cirujanos dedican a aprender nuevas herramientas, los robots deben ser capaces de ayudar con diferentes tipos de procedimientos, no solo con uno. En segundo lugar, a diferencia de los robots industriales utilizados en espacios de trabajo sin humanos cerca, los robots microquirúrgicos se utilizan directamente sobre humanos y, por lo tanto, deben diseñarse teniendo como máxima prioridad la seguridad del paciente. Finalmente, para minimizar el daño tisular y reducir los tiempos de recuperación, los robots deben ser mínimamente invasivos, idealmente trabajando a través de una única y pequeña incisión.

Muchas decisiones de diseño dependen de minimizar la intrusión y al mismo tiempo garantizar que el cirujano tenga suficiente grado de libertad para realizar procedimientos de manera efectiva. No existe una respuesta única para esta pregunta de compensación y, como resultado, los equipos de diseño de robots microquirúrgicos a menudo se han basado en gran medida en enfoques de prueba y error. Deben especificar requisitos, crear un diseño para cumplir esos requisitos y ensamblar un prototipo. Luego, los equipos de diseño prueban el prototipo para perfeccionar aún más los requisitos antes de repetir este ciclo. A menudo, se necesitan múltiples iteraciones de este ciclo y los tiempos de ciclo se ralentizan por la necesidad de construir o reconstruir el prototipo de hardware en cada iteración.

Con mis colegas en la Universidad de Zhejiang, hemos aplicado un enfoque basado en modelos centrado en el diseño al desarrollo de sistemas para cirugía mínimamente invasiva asistida por robot. Utilizando este enfoque, recientemente diseñamos un manipulador robótico para anastomosis y procedimientos oftálmicos basado en una estructura de paralelogramo. Realizamos análisis computacionales y pruebas de simulación con Simulink^® y Simscape Multibody™ para visualizar la trayectoria del efector final del manipulador y confirmar que el diseño cumple con los requisitos de seguridad y operatividad quirúrgica (Figura 1). Este enfoque acelera el desarrollo y nos permite identificar y resolver muchos problemas de diseño antes de invertir tiempo y recursos en la construcción de un prototipo de hardware.

Diseño de la estructura mecánica

Comenzamos nuestro proceso de diseño definiendo los requisitos y los objetivos de diseño para el manipulador microquirúrgico. Estos incluyeron, por ejemplo, una punta con objetivo de precisión de menos de 10 micrómetros, un rango de movimiento de 20x20x20 mm y un mecanismo de cambio rápido para el efector final del sistema que permitirá a los cirujanos reemplazar rápidamente los instrumentos durante un procedimiento.

Un componente clave del diseño del sistema es el mecanismo del centro de movimiento remoto (RCM), que restringe los grados de libertad (DOF) del instrumento a tres DOF ​​rotacionales (ψ, ϕ, y θ) alrededor de la incisión y un DOF traslacional (Z) en la dirección de inserción del instrumento. Diseñamos una estructura de doble paralelogramo que permite el movimiento del efector final por todo el espacio de trabajo con los siguientes rangos de movimiento: ψ: ±45°；ϕ: ±75°；θ: 360°; Z: 32 mm. Después de analizar primero esta estructura a través de un modelo matemático basado en primeros principios, creamos un ensamblaje CAD en SolidWorks^® (Figura 2).

Análisis basados en simulación en Simscape Multibody

Nuestro siguiente paso fue exportar el ensamblaje CAD desde SolidWorks usando el complemento Simscape Multibody Link y luego importar el archivo de descripción XML multicuerpo resultante a Simscape Multibody para crear un modelo de Simscape™ de nuestro diseño (Figura 3). Agregamos motores en las articulaciones ϕ, ψ y Z para el control del movimiento y ejecutamos múltiples simulaciones usando un sensor de posición para rastrear la posición y el movimiento del efector final.

Analizar y trazar los resultados de estas simulaciones en MATLAB^®, nos permitió visualizar el rango del efector final dentro del espacio cúbico para procedimientos de anastomosis y dentro del espacio esférico para procedimientos oftálmicos (Figura 4). Así, logramos garantizar la seguridad y alta probabilidad de éxito quirúrgico para el paciente, con todos los puntos de la anatomía accesibles durante un procedimiento. Esta evaluación requiere utilizar la cinemática del robot para desarrollar una nube de puntos y evaluar las trayectorias observadas en las intervenciones quirúrgicas tradicionales.

Figura 4. Múltiples vistas del espacio de trabajo para procedimientos oftálmicos (izquierda) y procedimientos de anastomosis (derecha).

También realizamos simulaciones en las que rastreamos el movimiento y la trayectoria del efector final, por ejemplo, para confirmar que el diseño cumplía con el requisito quirúrgico de un movimiento de arco en la superficie del ojo (Figura 5).

Ventajas clave de un enfoque basado en modelos

En nuestra investigación, observamos varias ventajas clave del enfoque basado en modelos que hemos adoptado. Entre las más valiosas se encuentra la capacidad de iterar rápidamente el diseño para asegurarse de que sea completamente funcional en el ámbito digital antes de pasar a una implementación física. Una cosa es crear un diseño en papel o en software CAD y saber que debería funcionar en teoría, pero cuando lo vemos funcionando en un entorno virtual mediante simulación con Simulink y Simscape, logramos obtener nuevas perspectivas para mejorarlo.

Con los modelos digitales disponibles en el enfoque basado en modelos, podemos acortar aún más el tiempo de desarrollo mediante el uso de tecnología de impresión 3D para prototipado rápido del mecanismo del robot en combinación con el análisis de simulación. Las pruebas en hardware del diseño derivado del enfoque basado en modelos muestran que el prototipo mantiene con éxito el punto RCM en el ojo del paciente (Figura 6).

Además, el uso de Simulink y Simscape permite a los estudiantes que trabajan en nuestro equipo ponerse al día rápidamente y coordinar esfuerzos. Los estudiantes pasan de un proyecto a otro antes de graduarse, y con un enfoque basado en modelos, pueden pasar proyectos de un grupo a otro. Los modelos son más fáciles de explicar y comprender, de modo que cuando el siguiente grupo necesite ampliar o generalizar el trabajo del equipo anterior, sabrán por dónde empezar y qué hacer.

Por último, ahora que hemos demostrado la viabilidad del diseño mecánico, estamos listos para comenzar el desarrollo del sistema de control y optimizar aún más la estructura. El diseño basado en modelos con MATLAB y Simulink ayudará en ambos esfuerzos, permitiéndonos validar la seguridad del sistema completo mediante simulación y acortar el ciclo de desarrollo general.