Author(s): Vale, Carolina Marques Lourenço de Almeida
Date: 2015
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/20718
Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
Subject(s): Neurocirurgia estereotáxica; Robô manipulador; Cinemática; Controlo robótico; Teses de mestrado - 2015; Departamento de Física
Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica)Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015
Esta tese de mestrado foca-se no desenvolvimento de um sistema robótico capaz de assistir neurocirurgiões em procedimentos estereotáxicos minimamente invasivos de Estimulação Cerebral Profunda (DBS) e Stereo-electroencefalografia (Stereo-EEG ou SEEG). O primeiro procedimento (DBS) visa a implantação de electrodos que estimulam estruturas profundas do cérebro, para melhoramento dos sintomas causados por doenças neurológicas comuns, como é o caso da doença de Parkinson. Por outro lado, no segundo procedimento cirúrgico (SEEG), electrodos intracerebrais são inseridos para delimitação da zona epileptogênica - zona onde são despultadas as crises epilépticas - em pacientes que sofrem de Epilepsia, através do monitoramento da actividade cerebral nessa zona. Aquando da realização de procedimentos cirúrgicos deste tipo, o robô deve ser capaz de posicionar os instrumentos cirúrgicos necessários (tais como, electrodos, trepano neurocirúrgico) numa determinada posição e orientação, segundo trajectórias específicas, decididas pela equipa médica com o apoio de software de imagem e planeamento cirúrgico. O desafio deste projecto passa por usar um sistema robótico real fazendo-o actuar como um assistente passivo em intervenções estereotáxicas de cirurgia cerebral. Este sistema é capaz de se posicionar segundo trajectórias bem definidas, permitindo deste modo ao neurocirurgião actuar segundo essas mesmas trajectórias (para realização de tarefas tais como a inserção de electrodos intracerebrais e perfuração do crânio). Numa fase introdutória desta dissertação, é realizada uma breve análise acerca do impacto causado por doenças neurológicas comuns na sociedade de hoje, bem como a identificação de limitações gerais ligadas a procedimentos tradicionais (não robotizados) de DBS e SEEG. O facto de se tratarem de procedimentos cirúrgicos bastante demorados, acabam por se tornar desgastantes quer para neurocirurgião quer para a equipa médica responsável. O uso de sistemas robóticos tornam o procedimento cirúrgico menos exigente para o neurocirurgião e equipa médica quer fisicamente, quer cognitivamente, uma vez que o robô pode assumir diversas tarefas nomeadamente, de posicionamento e manipulação dos instrumentos cirúrgicos necessários, não estando sujeitos a erros devido ao cansaço. Esta acção cooperativa entre o neurocirurgião e o sistema robótico pode assegurar a eficiência do tratamento, uma vez que junta a capacidade de julgamento do neurocirurgião baseado na sua experiência, com as vantagens trazidas por um sistema robótico, nomeadamente o aumento da precisão, e a sua maior estabilidade e flexibilidade ao se posicionarem de acordo com as trajectóricas necessárias. Identificado o problema actual, bem como a motivação, é descrito o conceito de neurocirurgia estereotáxica, seguido de um estudo da evolução dos equipamentos usados neste tipo de cirurgias. Procedimentos estereotáxicos neurocirúrgicos requerem a criação de um sistema de coordenadas, para mapeamento de estruturas neurológicas segundo este, tornando possível a identificação dos alvos cirúrgicos a atingir e consecutivo posicionamento do equipamento. É adquirido um conhecimento mais aprofundado acerca de procedimentos cirúrgicos deste tipo, através da descrição de uma intervenção estereotáxica comum – de DBS. Posto isto, são identificados os problemas/limitações associados ao uso de frames estereotáxicas - dispositivos actualmente utilizados para definição das trajectórias até ao alvo. São finalmente reconhecidas e descritas em detalhe as vantagens de usar um sistema robótico como substituto deste dispositivos (frames estereotáxicas), em intervenções estereotáxicas de cirurgia cerebral. É elaborado um estado da arte sobre robôs neurocirúrgicos, para assim se perceber o que tem sido feito e o que pode ser melhorado. Sistemas robóticos actuais apresentam características semelhantes, como a capacidade que têm em se posicionar de acordo com trajectórias específicas, mas também diversas limitações. Desta análise feita tendo em conta as características de sistemas actuais, são identificadas as mais procuradas num sistema robótico para assistência em neurocirurgia estereotáxica. De entre as principais características destacam-se a robustez para segurar e orientar com precisão instrumentação cirúrgica, a flexibilidade em alcançar trajectórias cirúrgias específicas, a facilidade de implementação em instituições hospitalares, a mobilidade na sala de operações, de entre outras mais específicas. Para desenvolvimento de um sistema robótico deste género, conceitos teóricos fundamentais de robótica, nomeadamente de transformações no espaço e formulação da cinemática do robô, são primeiramente aprendidos usando uma ferramenta de simulação desenvolvida ao encontro de neurocirurgia estereotáxica. Identificadas as suas potencialidades enquanto ferramenta de aprendizagem, nomeadamente pelo facto de apresentar um exemplo prático concreto bem estruturado - de um caso real de neurocirurgia estereotáxica - e uma tarefa intimimamente ligada a muitos conceitos de robótica; é, consequentemente, criado um projecto educacional de aprendizagem experimental, apropriado para ensinar conceitos teóricos a alunos de cursos de robótica. O impacto positivo do projecto de aprendizagem criado torna-se evidente aquando da análise das notas obtidas pelos alunos em exame (desenhado para avaliação dos conhecimentos adquiridos por estes), da sua taxa de sucesso, quando em comparação com anos anteriores; assim como, pela análise de dados obtidos através de um questionário realizados aos alunos e de um inquérito institucional igualmente dirigidos aos alunos que experienciaram a ferramenta de aprendizagem nesse ano. De seguida, é desenvolvido um método de registo do rôbo ao espaço cirúrgico baseado no contacto com diversos pontos de referência nos dois sistemas de coordenadas (do robô e de cirurgia). Este método simples de registo é utilizado tendo em conta tratar-se de uma primeira abordagem experimental. O robô manipulator pode assim utilizar o planeamento realizado para se posicionar de acordo com trajectórias específicas que irão permitir atingir o alvo cirúrgico. Os electrodos são implantados com recurso a uma ferramenta de guia que é fixa na extremedidade do robô e que permite guiá-los até ao alvo. É criada uma plataforma de comunicação com um sistema robótico real - Yaskawa Motoman MH5 - e desenvolvida uma aplicação para controlo do robô manipulator, idealizando uma interface para posicionamento deste segundo trajectórias cirúrgicas. De salientar que com a utilização de um sistema robótico capaz de ele mesmo se posicionar de acordo com determinadas trajectórias, o uso de equipamento exclusivamente mecânico - como o de frames estereotáxicas - é substituído por este, garantindo deste modo uma maior eficiência da operação. A abordagem actual visa contudo o uso de um anel estereotáxico, que estabelece o sistema de coordenadas de cirurgia, bem como que desempenha um papel crucial na fixação da cabeça do paciente. São descritas as rotinas de controlo implementadas, bem como os mecanismos de segurança usados. O procedimento actual assenta, essencialmente, em sete passos: primeira aproximação do robô manipulator à trajectória seleccionada; encaixe da ferramenta (adaptador) adequado que irá permitir trabalhar com determinado instrumento cirúrgico posicionado ao longo da trajectória; ajuste da orientação do braço robótico em torno da trajectória seleccionada (caso necessário); trepanação assistida; retorno do braço robótico ao longo da trajectória, para longe da cabeça do paciente, e encaixe da ferramenta que irá guiar os electrodos até ao alvo; inserção de electrodos assistida; e, por fim, retorno do robô manipulador à sua posição inicial. O desempenho do robô é demonstrado aquando a execução de um procedimento experimental completo usando a aplicação de controlo desenvolvida. São apresentadas imagens do robô manipulator, que mostram as configurações assumidas por este enquanto executa todo o procedimento (descrito no parágrafo acima). Posteriormente, é testada a flexibilidade do robô ao alcançar trajectórias estereotáxicas, visualizando igualmente as posturas assumidas por este em cada trajectória seleccionada. A exactidão do sistema é verificada usando um dispositivo phantom simulando as coordenadas do alvo cirúrgico a ser alcançado. De entre as vantagens do sistema actualmente desenvolvido destaca-se a sua eficiência e simplicidade de uso, e o facto de este ter sido desenvolvido tendo em conta futuros desenvolvimentos, permitindo fácil integração com outro hardware, e a possibilidade de portar o sistema actual para outros sistemas robóticos.
This master’s thesis focuses on the development of a robotic system able to assist neurosurgeons in minimally invasive stereotactic procedures, such as Deep Brain Stimulation (DBS) and Stereoelectroencephalography (Stereo-EEG or SEEG). The robot is expected to firmly hold the required surgical instruments, positioning them according to preoperative directives given by the medical team. The challenge is to use a real robotic system to perform as a passive assistant in stereotactic brain surgery procedures to guide and position the required surgical instrumentation. Information regarding stereotactic neurosurgery is gathered, and a study of equipment’s evolution used is made. Problems with the equipment currently used in traditional DBS and SEEG procedures are identified with a complete description of a stereotactic brain surgery procedure and, consequently, the role of a robotic system is recognized. A state of the art search on neurosurgery robots is elaborated, to get a picture of what is being done and what can be improved. Concepts of spatial transformations and formulation of robot kinematics are primarily learned using a simulation tool developed towards stereotactic neurosurgery. Revealed its advantages as a learning tool, an educational project based on experiential learning is created, suitable for teaching students of robotics courses. As an initial experimental approach, it is developed a method to register the robot’s to the surgery space based on contact. The robotic manipulator uses the computed transformation to position the required instrumentation according to the surgical trajectories of the preoperative plan. A middleware communication layer is used to connect the developed control application to the robot’s controller cabinet. The control application is developed with a intuitive user interface for positioning the robotic manipulator according to surgical trajectories for electrodes insertion. Implemented control routines are described, while emphasizing safety mechanisms. Robot’s performance is demonstrated when executing a full experimental procedure using the developed control application. It is followed a method for testing the robot’s flexibility in reaching stereotactic trajectories and visualizing robot postures assumed for each selected trajectory. Application accuracy is assessed with a phantom device that simulates surgical target coordinates.
