Przyszłościowy kontroler mechaniczny dla chwytaków z branży medycznej

Naukowcy z Tokijskiego Instytutu Technologii ogłosili nowy typ sterownika dla ramion używanych w chirurgii wspomaganej przez roboty – kontroler mechaniczny łączy w sobie dwa rodzaje uchwytów stosowanych w robotach komercyjnych, aby wykorzystać najlepsze cechy każdego z nich i zapewnić chirurgom większą precyzję.

Robotyka na stałe zagościła w wielu różnych dziedzinach życia w tym również w branży medycznej. W ciągu ostatniej dekady nastąpił znaczny postęp w dziedzinie chirurgii robotycznej.

Chirurgia wspomagana przez roboty jest zazwyczaj wykonywana przy użyciu systemów robotów chirurgicznych, które wykorzystują konfigurację „master-slave” w której „master” jest urządzeniem sterującym, którym chirurg manipuluje, by kontrolować ramię robota.

Systemy te zwiększają zręczność i precyzję pracy chirurgów poprzez eliminację drgań dłoni oraz skalowanie ich ruchów na precyzyjniejsze. Ponadto zmniejszają również ryzyko typowych powikłań chirurgicznych, takich jak infekcja miejsca operacji.

Przezwyciężenie ograniczeń chwytu człowieka

Operacja wspomagana przez robota to nie tylko same zalety – zwłaszcza dla osoby wykonującej zabieg. „Robotowi chirurdzy” czasami odczuwają dyskomfort fizyczny podczas operacji, przy czym często dochodzi do zmęczenia palców. Ten dyskomfort jest związany ze sposobem, w jaki chwytają główny kontroler.

Do sterowania robotami chirurgicznymi zazwyczaj używane są dwa rodzaje uchwytów –  uchwyt zaciskowy (precyzyjny) oraz uchwyt całościowy.

Uchwyt zaciskowy jest stosowany w konwencjonalnych operacjach od wieków –  polega na użyciu kciuka, palców środkowych oraz wskazujących w celu osiągnięcia wysokiej precyzji ruchów.

Z kolei uchwyt całościowy polega na chwytaniu całą dłonią za rękojeść i jest bardziej odpowiedni do intensywnej pracy oraz wielu ruchów.

Ze względu na to, że zaciskanie uchwytu powoduje naprężenie niektórych mięśni dłoni i palców, jest bardziej prawdopodobne, że spowoduje zmęczenie.

Chociaż wydaje się, że chwyt mocny nie powoduje takiego dyskomfortu, to jednak nadaje mniej precyzyjną kontrolę. W związku z tym istnieje zależność pomiędzy dyskomfortem spowodowanym zaciskiem a brakiem precyzyjnej kontroli nad uchwytem całościowym.

Solmon Jeong i Kotaro Tadano, dwaj naukowcy z Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), znaleźli sprytne rozwiązanie tego problemu – w badaniu opublikowanym w The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery spekulowali, że można zaprojektować główny kontroler łączący oba rodzaje uchwytów.

„W chirurgii robotycznej, ograniczenia dwóch konwencjonalnych metod chwytania są silnie związane z zaletami i wadami każdego typu uchwytu. Chcieliśmy zbadać, czy kombinacja metod chwytania może poprawić wydajność manipulacji podczas operacji z użyciem robotów, ponieważ może ona wykorzystać zalety obu rodzajów chwytaków, kompensując jednocześnie ich wady”. – powiedział dr. Tadano.

Przyszłościowy kontroler mechaniczny dla chwytaków z branży medycznej

Regulowany sterownik główny

Po przeprowadzeniu eksperymentu sprawdzającego, który przyniósł obiecujące rezultaty, naukowcy zaprojektowali zrobotyzowany system chirurgiczny z modułowym kontrolerem głównym, który można było dostosować do zastosowania chwytaka precyzyjnego, oraz całościowego.

System został przetestowany w ramach eksperymentu w którym 15 uczestników musiało kontrolować ramię robota, aby wprowadzić końcówkę igły do otworów docelowych w jak najkrótszym czasie bez dotykania przeszkód. Dla każdego typu uchwytu testowane były różne warunki, takie jak użycie podłokietników dla rąk i dłoni, użycie uchwytu, typ uchwytu i ruch zacisku.

Wyniki wykazały, że połączony chwyt dawał lepsze wyniki w eksperymencie na różnych frontach, w tym najmniejszą liczbę niepowodzeń (dotknięcie przeszkody), czas potrzebny na wykonanie i ogólną długość ruchów wykonywanych w celu osiągnięcia zamierzonych efektów.

Wielu uczestników zgłosiło również, że preferuje metodę łączonych chwytów, ze względu na łatwość i wygodę korzystania z tej metody.

Ta nowa konstrukcja głównego kontrolera może być krokiem we właściwym kierunku w chirurgii wspomaganej przez robota.

„Metoda manipulacyjna sterowników głównych w chirurgii z użyciem robotów ma znaczący wpływ na intuicyjność, komfort, precyzję i stabilność. Poza umożliwieniem precyzyjnej operacji, wygodna metoda manipulacji może potencjalnie przynieść korzyści zarówno pacjentowi, jak i chirurgowi” – powiedział Tadano.

Chociaż w przyszłości konieczna będzie analiza innych zmiennych związanych z manipulowaniem ramienia robota, praca ta może przynieść korzyści zaawansowanym systemom robotów chirurgicznych.

Zdjęcia producenta