Aplicaciones De La Robótica Al Campo De La Medicina Oscar Andrés Vivas Albán

Transcripción

1

2 Técnica Electrónica 18 Informática 56 Telecomunicaciones 34 Telemática 63 Aplicaciones De La Robótica Al Campo De La Medicina Oscar Andrés Vivas Albán Departamento de Electrónica, Instrumentación y Control, Universidad del Cauca, Popayán, Colombia Introducción Resumen: Este artículo muestra una síntesis de dos de los campos más interesantes de la robótica aplicada a la medicina: la robótica de rehabilitación y la robótica quirúrgica. En la robótica de rehabilitación se trata con mayor detalle las prótesis de mano y en la robótica quirúrgica se hace énfasis en los robots utilizados como asistentes en operaciones de laparoscopia. Se muestran así mismo los proyectos en el área que se trabajan en el Grupo de Automática Industrial de la Universidad del Cauca. Los primeros conceptos de robótica aparecieron a finales de la década de los 40, con los desarrollos de quien es considerado el padre de esta disciplina: G.C. Devol (Nof, 1985). En 1954 Devol patentó el primer manipulador con memoria, dando inicio a la era moderna de la robótica. En 1961 Engelberger creó Unimation, compañía que inició con la producción comercial de robots para uso industrial (Gibilisco, 1994). Desde entonces la robótica industrial cuenta con un amplio mercado, con más de robots en funcionamiento en el mundo hasta el año 2004 (Unece, 2004). Pero la robótica industrial dio impulso a aplicaciones en otras áreas como la agricultura, la exploración espacial, la exploración submarina, las aplicaciones militares, las aplicaciones domésticas y de entretenimiento, y en un campo de mayor impacto social, la robótica médica. Palabras Clave: Robótica, aplicaciones médicas, control de robots, prótesis robóticas, robots quirúrgicos. En el campo médico la robótica ha dirigido sus desarrollos a dos áreas específicas: la asistencia a los pacientes y la asistencia a los médicos. En la primera se tienen igualmente dos sub-áreas: primero, los dispositivos orientados hacia la rehabilitación de los pacientes, y como tal son herramientas temporales (robots para terapia física y ocupacional); segundo, los dispositivos orientados a asistir de manera permanente a personas discapacitadas o en la tercera edad (prótesis, electroestimulación, asistentes personales, etc). En cuanto a los robots para asistencia a los médicos, se encuentran los robots diseñados para cirugía, exploración, diagnóstico y terapia (Krut, 2006). Marzo 2007

3 Como puede verse los campos de aplicación de la robótica en la medicina son muy amplios y complejos. Por su importancia en la sociedad y sus perspectivas de desarrollo futuro, se expondrán en este ensayo las técnicas de mayor desarrollo en cada una de las dos áreas específicas anteriormente descritas. Esto nos lleva a las prótesis robóticas de miembros superiores y a los robots asistentes en cirugía mini-invasiva. Este artículo pretende realizar una recopilación de los últimos avances en cuanto a las prótesis robóticas y a la robótica quirúrgica La primera temática se desarrolla en la sección 2, la sección 3 desarrolla la segunda temática. Los proyectos en estas dos áreas que están siendo trabajados por el Grupo de Automática Industrial son detallados en la sección 4. Finalmente la sección 5 presenta las conclusiones. Protesis Roboticas Las prótesis de miembro superior han tenido un gran desarrollo a partir de los años 60, sin embargo algunos estudios señalan que alrededor del 70% de la población afectada en los Estados Unidos utiliza simples ganchos pasivos (Yang, et al. 2004). Este porcentaje es aún mayor en los países del Tercer Mundo, donde muchas veces ni siquiera se utiliza prótesis alguna. De otra parte, según el censo del DANE año 2005 (Dane, 2005), en nuestro país existirían alrededor de personas con discapacidad de miembro superior (aunque el informe no especifica en detalle el grado de discapacidad). A diferencia de los citados ganchos pasivos existen las prótesis activas, las cuales por medio de cuerdas o más sofisticadamente, sensores ubicados en alguna parte del cuerpo del paciente, permiten mover una mano mecánica con mayor o menor grado de funcionalidad. Un análisis detallado de los últimos avances en el área pueden hallarse en (Lunteren, et al. 1983; Shimoga, 1996; Bicchi, 2000; Yang, et al. 2004). Sin embargo el desarrollo de una prótesis de mano que pueda ser sentida por el paciente como parte integrante de su cuerpo está lejos aún de convertirse en una realidad. De hecho las prótesis comerciales actuales son incapaces de proveer suficiente funcionalidad en los movimientos de agarre de objetos, presentándose también la pérdida de grados de libertad en las soluciones propuestas. Diversas soluciones han sido propuestas con el fin de dar respuesta a los retos científicos y tecnológicos que el problema representa. Entre las más innovadoras se tienen: Mano DLR Mano desarrollada en Alemania para aplicaciones de teleoperación o para tareas autónomas desarrolladas por un robot industrial o de servicios. Consta de cuatro dedos con movimientos totales que proveen 20 grados de libertad (Borst, et al., 2003). Mano Mano TUAT/Karlsruhe Mano desarrollada por un laboratorio japonés y otro alemán, consta de cinco /

4 dedos con un total de 20 grados de libertad. Está accionada por motores esféricos a ultrasonidos y fue diseñada para servir de mano al robot humanoide ARMAR (Fukaya, et al. 2000) Mano Blackfingers. Esta mano construida en Italia está constituida por músculos flexibles, las articulaciones están hechas de un material parecido al nylon y los tendones son cables de hierro recubiertos de teflón. Esta compleja estructura permite 18 grados de libertad (tres por cada dedo y tres para la muñeca) y tiene un peso muy similar al de la mano humana, aunque su costo es aún bastante alto (Folgheraiter y Gini, 2000). La Figura 1 muestra una imagen de esta mano (Politecnico di Milano, 2006). 2.4 Mano robótica con mecanismo extensor Esta mano desarrollada en Estados Unidos, es similar a la anterior pero en vez de utilizar músculos flexibles utiliza bandas elásticas desde el antebrazo para mover cada uno de los dedos. Su funcionamiento es pues similar a la mano humana (Wilkinson et al., 2003) Mano compuesta de sensores propioceptivos Mano desarrollada en Italia compuesta por tres dedos y dos motores, los cuales permiten nueve grados de libertad. Está compuesta por sensores de posición y de fuerza en los dedos para proveer las complejas funciones de agarre de una mano natural. Los motores son controlados a partir de sensores electromiográficos colocados en el brazo del paciente, lo cual la hace bastante adaptable a los discapacitados de mano (Carrozza et al., 2003) Mano Iowa Esta mano, fruto de un trabajo entre universidades americanas, españolas y suecas, consta de cuatro dedos compuestos por resortes los cuales proveen un total de 15 grados de libertad. Su diseño está orientado específicamente a los amputados de mano y un prototipo puede verse en la Figura 2 (Yang, et al. 2004). Sin embargo las prótesis comerciales distan aún mucho de las propuestas mostradas anteriormente, dada la complejidad de la tarea y el costo que esto involucra para el paciente. Uno de los mayores fabricantes de prótesis a nivel mundial es la empresa alemana Otto Bock (Otto Bock, 2006), una de cuyas prótesis de mano con su respectivo recubrimiento se muestra en la figura 3. Figura 1. Mano BlackFingers Figura 2. La mano Lowa Figura 3. Prótesis de mano Otto Bock

5 Electrónica Robotica Quirurgica Con el desarrollo de las técnicas de cirugía mini-invasiva en los años 80, el cirujano ya no tenía la necesidad de introducir sus manos al interior del cuerpo humano. Con esta técnica, instrumentos quirúrgicos y de visión especializados son introducidos en el cuerpo a través de pequeñas incisiones. Este procedimiento llamado laparoscopia, se traduce en menores traumas para el paciente y consecuentemente, en una recuperación más rápida, así como menores costos para el sistema de seguridad social. Sin embargo trajo nuevos retos y dificultades para el cirujano como la pobre realimentación en las sensaciones al tocar los órganos internos, la pérdida de la visión en tres dimensiones, la pérdida de la articulación de la muñeca y la pobre ergonomía de los instrumentos utilizados (Diodato y Damiano, 2003). Se puede resumir diciendo que el paciente ha ganado mucho a expensas del mayor trabajo realizado por el cirujano. Surgió entonces la idea de utilizar robots de asistencia para eliminar estos nuevos impedimentos, añadiéndole además la mejora en el trabajo a escala a realizar y filtrando el temblor del operador humano. Inclusive algunos autores han sugerido que en la historia de la evolución quirúrgica, la laparoscopia no es más que una transición tecnológica que llevaría desde los procedimientos manuales hacia la cirugía robotizada (Satava, 1999; Ballantyne y Moll, 2003). La robótica quirúrgica ha avanzado rápidamente, desde que en 1985 se utilizó un simple robot Puma industrial para realizar un procedimiento neuroquirúrgico, consistente en la introducción de una guía para realizar una biopsia cerebral (Kwoh et al., 1988). Dado que el robot utilizado fue un simple robot industrial el cual no cumplía con las condiciones de seguridad impuestas en un bloque operatorio, se empezaron a diseñar los primeros robots con propósitos puramente quirúrgicos. Los pioneros en esta nuevo campo fueron un robot para cirugías de próstata desarrollado en el Reino Unido (Davies et al., 1991), y un robot para neurocirugía desarrollado en Francia (Benabid et al., 1987). Desde entonces se han realizado miles de procedimientos quirúrgicos con los más de 200 robots instalados en diferentes hospitales del mundo (Krut, 2006), los cuales asisten en operaciones de cardiología, urología, otorrinolaringología, neurocirugía, ortopedia, cirugía maxilo facial, radiocirugía, oftalmología y cirugía abdominal. Los robots poseen gran cantidad de ventajas sobre los humanos al momento de realizar tareas de manipulación. Su precisión y repetibilidad les han permitido penetrar fácilmente el sector industrial, conllevando claros beneficios económicos. Sin embargo, en cirugía el ambiente de trabajo está lejos de ser tan estructurado como en la industria, presentándose problemas tales como la pérdida de sensación de realimentación (háptica) y una falta de adaptabilidad. Se debe entender igualmente que normalmente no es posible programar un robot para realizar autónomamente una tarea quirúrgica. Los robots deben entonces verse como una extensión o ampliación de las capacidades humanas, antes que un reemplazo del operador humano, como comúnmente sucede en la automática industrial. Las Tablas 1 y 2 resumen las fortalezas y debilidades de los robots y los humanos actuando en el campo quirúrgico. Una idea de cómo los humanos y los robots pueden trabajar juntos se refiere a las cirugías reparativas de la retina. Este tipo de operación requiere posicionar con precisión un láser, dentro de un radio de 25 cm del objetivo, para evitar dañar los vasos que irrigan la retina. Una mano humana no puede controlar un instrumento quirúrgico en distancias menores a 100 cm de su objetivo. Además, a medida que el cirujano se fatiga, aparece un temblor que necesariamente disminuye la precisión. Finalmente el ojo posee un movimiento natural de 200 Hz, lo que lo convierte en un objetivo móvil (Satava, 1998). La combinación de estos factores crea una situación operativa que no puede proveer la exactitud requerida, pero que cabe perfectamente dentro de las capacidades tecnológicas de los robots. Usando la integración del robot con el computador, el movimiento del ojo puede ser fijado en un sistema de referencia de manera que aparezca estacionario, además que el temblor del médico puede ser filtrado. El resultado es un sistema que puede posicionar el láser con una precisión de 10 cm, es decir, diez veces menos que una mano humana sin ayuda robótica. Pero para poder desarrollar plenamente esta promisoria tecnología, es vital la comunicación y el mutuo entendimiento entre cirujanos, ingenieros, empresarios y administrativos del área de la salud. Del lado médico esto debe empezar con una apertura mental que lleve a la búsqueda de soluciones en las nuevas tecnologías. Entre los robots quirúrgicos más populares e interesantes podemos contar (Camarillo et al., 2004): Aesop. Fue el primer robot utilizado en aplicaciones quirúrgicas comercializado en los Estados Unidos, en el año El robot Aesop mueve un endoscopio (cámara de video) al interior del cuerpo humano en operaciones de laparoscopia, y es controlado por la voz del cirujano (Stoianovici, 2000). Esto le permite al médico una mayor libertad de movimientos, centrando su atención en el área deseada a partir de las órdenes vocales dadas al robot. Sin embargo la tarea desarrollada por el robot no involucra una activa manipulación invasiva al interior del cuerpo humano.

6 Tabla 1 Ventajas en el desempeño de cirujanos y robots Cirujanos Robots Versatilidad Repetibilidad Juicio debido a la experiencia Tolerancia a las radiaciones Coordinación ojo/mano Estable y preciso Destreza en una escala milimétrica Manejo de múltiples tareas al tiempo Dispone de diversa información cualitativa Optimizado para ambientes particulares Tabla 2 Desntajas en el desempeño de cirujanos y robots Cirujanos Robots Temblores Costoso Fatiga Voluminoso Imprecisión Incómodo Variación de desempeño (edad, estado mental,...) No versátil No efectivo en escalas submilimétricas Tecnología aún en sus inicios Incapaz de procesar fácilmente información Incapaz de procesar información cuantitativa cualitativamente Robodoc. En 1992 IBM y otras compañías asociadas desarrollaron este robot para operaciones de ortopedia (Bauer et al., 1999), consistentes en el alineamiento del fémur y la prótesis en procedimientos de reemplazo de rodilla. El sistema consta de tres partes: el robot en sí, una estación de planificación de trayectorias y el computador que guía y controla al robot (Clearly y Nguyen, 2001). Acrobot. Desarrollado en el Reino Unido para el total reemplazo de la rodilla (Jacopec et al., 2001). Se compone de un instrumento de taladrado con motores cuyos movimientos están restringidos a un área específica definida por las imágenes pre-operatorias. Esto permite al cirujano sentir directamente las fuerzas que intervienen en la perforación, protegiendo al mismo tiempo otras regiones del efecto del taladro. CyberKnife. Se trata de un robot utilizado para la radiación de una gran variedad de tumores. El procedimiento inicia con la toma de imágenes por medio de un sistema de tomografía computarizada, el cual sirve de entrada a un planificador de trayectorias que genera las consignas espaciales entregadas al acelerador lineal montado sobre el robot (Nathoo et al., 2003). El robot es completamente autónomo en la fase de radiación, logrando una alta precisión y evitando daños sobre células sanas. La Figura 4 muestra este tipo de robot en su bloque operatorio (CiberKnife, 2006). NeuroMate. Su función es determinar la localización de inserción de una guía en operaciones de neurocirugía, basado en imágenes pre-operatorias (Varma et al., 2003). Este robot es el sucesor de aquel Puma que realizó la primera operación de este tipo en el año Zeus y Da Vinci. Se trata de dos sistemas teleoperados con características comunes: el cirujano está cómodamente sentado frente a una consola, observando en una pantalla una imagen tridimensional del paciente, y manejando dos instrumentos maestros hápticos que mueven dos instrumentos quirúrgicos esclavos ubicados al interior del paciente (Clearly y Nguyen, 2001). El robot Zeus consta de seis grados de libertad (Marescaux y Rubino, 2003) mientras que el sistema Da Vinci consta de siete (Guthard y Salisbury, 2000). Es de anotar que las respectivas compañías fabricantes de estos dos sistemas se fusionaron en el año 2003 y el sistema que se sigue comercializando es el Da Vinci (Curley 2005). Para dar una idea de los costos de este tipo de robots, se puede decir que un Da Vinci está alrededor de 1.25 millones de dólares, con un costo adicional del 10% por año en mantenimiento. Además los instrumentos deben ser reemplazados cada 10 operaciones, incrementando el costo en dólares más (Hanley y Talamini, 2004). La Figura 5 muestra la consola y el bloque operatorio de trabajo de un robot Da Vinci (Intuitive Surgical, 2006). Es de anotar también la extraordinaria operación de colesistectomía (extirpación de la vesícula) llevada a cabo en 2001 por el Dr. Marescaux con un robot Zeus, donde el cirujano se hallaba en Nueva York y el paciente en Estrasburgo, Francia (Marescaux et al., 2001). Esta intervención ha abierto nuevas posibilidades de uso a la robótica quirúrgica y muestra sus grandes potencialidades hacia el futuro.

7 Electrónica Proyectos actuales en el area de la Robotica Medica. El Grupo de Automática Industrial de la Universidad del Cauca ha decidido enfocar la investigación de sus líneas de Control y Robótica hacia el campo de la robótica médica, dado el interés social que esto involucra. A este respecto dos proyectos están actualmente en ejecución: 4.1 Prótesis de mano controlada a partir de señales electromiográficas. 4 Tres grupos de investigación de la Universidad del Cauca (Grupo de Automática Industrial, Grupo de Nuevas Tecnologías en Telecomunicaciones y Grupo Movimiento Corporal Humano), están trabajando con el fin de ofrecer en un futuro próximo una solución funcional y a un costo razonable, a las personas que han sufrido amputación de mano. La primera fase de este proyecto se ha llamado Modelado, diseño y simulación de una mano virtual controlada a partir de señales electromiográficas, y pretende diseñar una mano virtual en el computador que sea movida por un paciente con amputación de mano a través de sensores electromiográficos colocados en su antebrazo. Este sistema permitirá al discapacitado entrenar sus terminaciones nerviosas y servirá de evaluación para una futura implantación de una prótesis real. Las diferentes tareas de esta primera fase son: 5 Especificación de los patrones funcionales de la mano (Grupo Movimiento Corporal Humano Facultad de Ciencias de la Salud). Modelado, control y análisis del agarre de la mano robótica (Grupo de Automática Industrial). Procesamiento, extracción de características e identificación de movimiento de las señales electromiográficas (Grupo de Nuevas Tecnologías en Telecomunicaciones y Grupo de Automática Industrial). Diseño y construcción de la mano en un ambiente virtual (Grupo de Automática Industrial). Validación del sistema sobre amputados de mano (los tres grupos participantes). Foto 4. Robot CyberKnife Foto 5. Robot Da Vinci. En el proyecto participan actualmente quince investigadores, los cuales trabajan en las áreas de modelado matemático, robótica, diseño CAD, software, procesamiento de señales, fisioterapia y neurología. Igualmente una de las temáticas de investigación de la Maestría en Ingeniería, área Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad del Cauca, está orientada a soportar este proyecto. De otra parte el éxito de esta investigación permitirá más adelante extender los resultados a prótesis de brazo y de pierna.

8 Simulador quirúrgico. Una simulación quirúrgica consiste en reproducir las sensaciones visuales y táctiles experimentadas por el cirujano durante un procedimiento quirúrgico, a través del uso del computador y de un sistema robótico (Delinguette y Ayache, 2004). El interés médico de esta técnica está ligado al desarrollo de la cirugía mini-invasiva, especialmente la video-cirugía (endoscopia, laparoscopia). Aunque los robots asistentes para cirugía pueden tardar aún algunos años en llegar a nuestro país, el uso de simuladores quirúrgicos sí puede fácilmente difundirse en las universidades colombianas, conllevando igualmente los conocimientos sobre robótica quirúrgica. Esto se debe a que los simuladores pueden ser vistos como sistemas con un funcionamiento similar al desplegado por los robots Zeus y Da Vinci mostrados en la sección 3.6. Es decir, el aprendiz de cirujano puede estar frente a la pantalla del computador accionando dos interfaces hápticas, las cuales son dispositivos que poseen sensación de retorno. En el computador estarán los modelos de los órganos que intervienen en determinadas operaciones quirúrgicas. El cirujano podrá entonces manejar estas dos interfaces como si de instrumentos quirúrgicos se trataran, inmerso en un ambiente virtual con la mayor cantidad de detalle posible. Obsérvese la similitud de este sistema con los robots vistos: en vez del robot real se tendrá un sistema virtual modelado en el computador. Es de anotar las ventajas de este simulador sobre los entrenamientos comúnmente utilizados como animales y cadáveres (Delingette y Ayache, 2005; Haptica, 2006). Con el fin de construir un primer simulador básico, se está trabajando actualmente con los siguientes proyectos de maestría y pregrado: Modelado y simulación en 3D de un robot para laparoscopia (tesis de maestría). Evaluación del desempeño de un robot Puma en operaciones de laparoscopia (tesis de pregrado). La idea es una vez conocidos con exactitud los movimientos utilizados en las operaciones de laparoscopia más comúnmente llevados a cabo en el país, diseñar un par de robots quirúrgicos en un ambiente tridimensional con el fin de seguir los movimientos deseados. Fases posteriores del proyecto trabajarán sobre el modelo matemático de los órganos y los posibles retornos hápticos. Conclusiones La robótica ha revolucionado la producción industrial y está empezando a realizar aportes extraordinarios en el campo médico. No estará lejano el día en que un amputado de pierna o mano pueda recuperar completamente la funcionalidad perdida, efectuando sus labores cotidianas con naturalidad y sintiendo el órgano artificial como si se tratara de su propia extremidad. Cabe resaltar la gran importancia que para la sociedad tienen estas investigaciones, y en particular para nuestro país aquejado desde hace varias décadas por una situación compleja de violencia. De otra parte es interesante la aplicación de la robótica en los asistentes quirúrgicos, donde antes que reemplazar al cirujano lo que se pretende es potenciar y mejorar su desempeño. Más inmediatamente aplicable a nuestro entorno se encuentran los simuladores quirúrgicos, entrenadores para nuevos cirujanos y puente hacia los asistentes quirúrgicos propiamente dichos. Se ha querido con este artículo presentar los últimos avances mundiales en el área al interior de la Universidad del Cauca, y mostrar los trabajos relacionados que ha empezado a desarrollar el Grupo de Automática Industrial ( ) de la Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones.

9 Electrónica