Generación de Trayectorias Constriñadas Basada en Optimización para la Costura Asistida por Robot en Cirugía Endonasal
Autores: Colan, Jacinto; Nakanishi, Jun; Aoyama, Tadayoshi; Hasegawa, Yasuhisa
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Generación de Trayectorias Constriñadas Basada en Optimización para la Costura Asistida por Robot en Cirugía Endonasal
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Espacio de trabajo reducido
Cirugía endonasal endoscópica
Sistemas quirúrgicos asistidos por robot
Sutura
Trayectoria de la aguja
Planificación del movimiento.
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 28
Citaciones: Sin citaciones
El espacio de trabajo reducido en la cirugía endonasal endoscópica (EES) dificulta la ejecución de tareas quirúrgicas complejas como la sutura. Típicamente, los cirujanos necesitan manipular instrumentos quirúrgicos largos y poco hábiles con una vista endoscópica que dificulta la estimación de las distancias y ángulos requeridos para un movimiento de sutura preciso. Recientemente, se han utilizado sistemas quirúrgicos asistidos por robots en cirugía laparoscópica con resultados prometedores. Aunque los sistemas robóticos pueden proporcionar una mayor destreza, la sutura asistida por robots sigue siendo altamente desafiante. En este documento, proponemos un método de sutura asistido por robot basado en una generación de trayectoria optimizada en línea para la sutura con aguja curva y un marco de planificación de movimiento restringido para garantizar un movimiento seguro del instrumento quirúrgico. La trayectoria de la aguja se genera en línea utilizando un algoritmo de optimización convexa secuencial sujeto a restricciones cinemáticas de sutura. El planificador de movimiento restringido está diseñado para reducir los daños circundantes a la cavidad nasal al establecer un centro de movimiento remoto sobre la fosa nasal. Se propone un solucionador dual concurrente de cinemática inversa (IK) para lograr la convergencia de la solución y la ejecución en el tiempo óptimo, en el que se realizan simultáneamente dos métodos de IK restringidos; un IK basado en prioridad de tareas y un IK basado en optimización no lineal. Evaluamos el rendimiento del método propuesto en un experimento de sutura con nuestro sistema robótico quirúrgico en un modo asistido por robot y un modo autónomo en comparación con el uso de una herramienta quirúrgica convencional. Nuestros resultados demuestran una mejora notable en la tasa de éxito de la sutura en el modo asistido por robot y el tiempo de finalización más corto para el modo autónomo. Además, la interacción de la fuerza con el tejido se redujo considerablemente al utilizar el sistema robótico.
Descripción
El espacio de trabajo reducido en la cirugía endonasal endoscópica (EES) dificulta la ejecución de tareas quirúrgicas complejas como la sutura. Típicamente, los cirujanos necesitan manipular instrumentos quirúrgicos largos y poco hábiles con una vista endoscópica que dificulta la estimación de las distancias y ángulos requeridos para un movimiento de sutura preciso. Recientemente, se han utilizado sistemas quirúrgicos asistidos por robots en cirugía laparoscópica con resultados prometedores. Aunque los sistemas robóticos pueden proporcionar una mayor destreza, la sutura asistida por robots sigue siendo altamente desafiante. En este documento, proponemos un método de sutura asistido por robot basado en una generación de trayectoria optimizada en línea para la sutura con aguja curva y un marco de planificación de movimiento restringido para garantizar un movimiento seguro del instrumento quirúrgico. La trayectoria de la aguja se genera en línea utilizando un algoritmo de optimización convexa secuencial sujeto a restricciones cinemáticas de sutura. El planificador de movimiento restringido está diseñado para reducir los daños circundantes a la cavidad nasal al establecer un centro de movimiento remoto sobre la fosa nasal. Se propone un solucionador dual concurrente de cinemática inversa (IK) para lograr la convergencia de la solución y la ejecución en el tiempo óptimo, en el que se realizan simultáneamente dos métodos de IK restringidos; un IK basado en prioridad de tareas y un IK basado en optimización no lineal. Evaluamos el rendimiento del método propuesto en un experimento de sutura con nuestro sistema robótico quirúrgico en un modo asistido por robot y un modo autónomo en comparación con el uso de una herramienta quirúrgica convencional. Nuestros resultados demuestran una mejora notable en la tasa de éxito de la sutura en el modo asistido por robot y el tiempo de finalización más corto para el modo autónomo. Además, la interacción de la fuerza con el tejido se redujo considerablemente al utilizar el sistema robótico.