Preceyes acelera el desarrollo del primer robot de cirugía ocular del mundo con diseño basado en modelos
"MATLAB y Simulink nos proporcionaron una plataforma única que respaldó nuestro flujo de trabajo completo, y todos los componentes y protocolos necesarios para nuestro sistema robótico. Eso nos permitió desarrollar rápidamente un dispositivo seguro y en tiempo real, listo para la investigación clínica".
El reto
Desarrollar un sistema de control en tiempo real para procedimientos quirúrgicos asistidos por robot realizados en el ojo humano
La solución
Utilizar diseño basado en modelos con MATLAB y Simulink para modelar y simular el sistema de control, y emplear Simulink Coder y Simulink Real-Time para desplegarlo en un objetivo en tiempo real
Los resultados
- Controlador central desarrollado por un único ingeniero
- Seguridad del paciente garantizada
- Definición de un plan de industrialización
PRECEYES Surgical System El sistema manipula el instrumento que se introduce en el ojo, y se controla empleando el controlador de movimiento de la izquierda; el personal de cirugía utiliza la otra mano para operar manualmente. Imagen y derechos de autor de Preceyes.
Las cirugías vitreorretinianas, que se realizan dentro del ojo, requieren un grado de precisión y estabilidad que es extremadamente difícil de mantener para la mano humana. Un gran aumento de las enfermedades vitreorretinianas, correlacionadas con el envejecimiento de la población, exige el desarrollo de nuevos tratamientos que requieren niveles aún mayores de precisión. Un posible nuevo tratamiento para las oclusiones venosas de la retina, por ejemplo, implicaría insertar una aguja en una vena del grosor de un cabello humano y mantenerla inmóvil durante unos 10 minutos, algo que sería prácticamente imposible incluso para el personal de cirugía más experto.
Personal de cirugía del Hospital John Radcliffe de Oxford, Inglaterra, realizó la primera cirugía vitreorretiniana asistida por robot del mundo en 2016. Utilizaron PRECEYES Surgical System, un asistente robótico que amplía el movimiento y elimina el temblor de la mano del personal quirúrgico, lo que permite una estabilidad y precisión sin precedentes.
Más recientemente, Preceyes comenzó ensayos clínicos en el Rotterdam Eye Hospital. Integraron con éxito un sensor de distancia recién desarrollado en el robot y validaron la combinación robot-sensor. El sensor mide la distancia de un instrumento respecto de la retina dentro del ojo. Este enfoque, que ofrece seguridad y orientación basadas en sensores, promete importantes ventajas en cuanto a seguridad y rendimiento durante cirugías de retina exigentes. Además, será una valiosa fuente de datos para formación y evaluación. El equipo de ingeniería de Preceyes diseñó e implementó el sistema de control del robot utilizando diseño basado en modelos con MATLAB®, Simulink® y Simulink Real-Time™.
"Como Lean Startup, era importante desarrollar una primera versión rápidamente sin comprometer la seguridad, para obtener feedback clínico y generar evidencia, antes de diseñar un producto final", explica Maarten Beelen, cofundador y gerente de integración de Preceyes. "Simulink y Simulink Real-Time nos permitieron diseñar rápidamente un controlador, verificarlo, implementarlo en un sistema en tiempo real y probarlo con usuarios. Un flujo de trabajo tradicional de desarrollo de software probablemente habría alargado los plazos considerablemente".
El reto
Preceyes fijó objetivos ambiciosos para su sistema quirúrgico. La mejora de la precisión no solo posibilitaría nuevos procedimientos, sino que también mejoraría otros ya existentes, como el pelado de membranas de la retina y el reemplazo del fluido del ojo. Mientras trabajaban para lograr estos objetivos, el equipo de Preceyes tenía dos prioridades: garantizar la seguridad del paciente y crear un dispositivo de investigación clínica operativo de la manera más eficiente posible.
Para lograr los objetivos de diseño respetando el programa de desarrollo y las restricciones de seguridad, el equipo de ingeniería de Preceyes debía aprovechar tecnología de modelado y simulación que se hubiera utilizado en otras aplicaciones críticas para la seguridad en múltiples sectores. Concretamente, tenían que modelar lógica de control compleja y luego realizar verificación funcional del diseño, primero mediante simulación y luego con pruebas en tiempo real en el propio robot. Además del software de control en tiempo real, el equipo necesitaba desarrollar una aplicación en tiempo no real con una interfaz que se ejecutara en un PC y que el personal médico pudiera utilizar para configurar los ajustes antes y durante los procedimientos quirúrgicos.
La solución
Preceyes utilizó diseño basado en modelos con MATLAB, Simulink y Simulink Real-Time para acelerar el desarrollo de un sistema de control en tiempo real para PRECEYES Surgical System.
Mientras creaban un modelo básico de la cinemática y dinámica del robot, el equipo de ingeniería de Preceyes realizó pruebas de identificación de sistemas en las que se sirvieron de Simulink Real-Time para producir señales de excitación para los 11 electromotores del robot, y luego midieron las respuestas en cada uno de sus respectivos 11 grados de libertad.
Después de analizar y ajustar los datos de las mediciones en MATLAB, utilizaron los resultados para desarrollar un modelo de planta de Simulink que describía cómo se movía el robot en respuesta a las fuerzas aplicadas.
El equipo desarrolló un modelo de controlador que procesa la entrada del joystick del sistema y de aproximadamente 60 sensores, incluidos codificadores ópticos y magnéticos, y genera las señales motoras necesarias para mover el extremo de la herramienta en respuesta a los movimientos del personal de cirugía. En este modelo, incorporaron bloques EtherCAT de Simulink Real-Time para interactuar con nodos de la red EtherCAT del robot.
Empleando Stateflow®, el equipo modeló la lógica secuencial de los diversos modos de funcionamiento del sistema, que incluyen calibración, inicialización y autoverificación.
Después de verificar el funcionamiento básico del controlador y la lógica de control mediante simulación, el equipo de ingeniería generó código a partir del modelo utilizando Simulink Coder™, y desplegó el código compilado en un equipo objetivo en tiempo real en el que se ejecutaba Simulink Real-Time. Este equipo informático se conectó a los sensores y motores del robot a través de la red EtherCAT.
Para perfeccionar y mejorar el controlador, el equipo de trabajo realizó mejoras en el modelo, las verificó mediante simulación, y después las probó en el propio robot utilizando la configuración de Simulink Real-Time.
El equipo de ingeniería utilizó GUIDE, una herramienta de desarrollo de interfaz gráfica de MATLAB, para desarrollar el software de aplicación de pantalla táctil que el personal de cirugía utiliza para cambiar la configuración quirúrgica y recibir feedback visual y acústico durante una cirugía.
La seguridad y eficacia de PRECEYES Surgical System ha quedado demostrada en 14 procedimientos quirúrgicos. Se han previsto demostraciones adicionales en centros quirúrgicos de máximo nivel, incluida una colaboración por dos años con el Rotterdam Eye Hospital. Además, la empresa también está trabajando en obtener el marcado CE, y en la próxima generación para su producción en masa.
PRECEYES Surgical System, antes de una cirugía, en el Rotterdam Eye Hospital. Imagen y derechos de autor de Preceyes.
Los resultados
- Controlador central desarrollado por un único ingeniero. "Con MATLAB y Simulink, no tuve que programar yo mismo la arquitectura elemental del controlador. Siendo el único ingeniero de software encargado de desarrollar la primera versión, eso fue una gran ventaja; de hecho, dudo que una sola persona hubiera podido lograrlo", afirma Beelen. "Un equipo de consultoría revisó el software exhaustivamente y sin dificultad, debido a la legibilidad, trazabilidad a los requisitos y prestaciones de generación de informes de los productos de Simulink".
- Seguridad del paciente garantizada. "Siempre dije que no pondría en el mercado un dispositivo a menos que me sintiera completamente seguro de usarlo en mí mismo o en un ser querido", señala Beelen. "Con los mecanismos de seguridad que habíamos implementado en Simulink, estaba seguro al 100% de que no habría problemas con el software".
- Definición de un plan de industrialización. "Para desarrollar la versión industrializada de nuestro sistema, ahorraremos tiempo generando código a partir del modelo de controlador existente y empleando Embedded Coder para destinarlo a un procesador integrado", dice Beelen. "Seguiremos un flujo de trabajo de desarrollo y pruebas más formal, con un mejor control de revisiones y un equipo de desarrollo más grande, utilizando prestaciones para pruebas, verificación y validación basadas en modelos de Simulink".
