Robin Heart INCITE - wprowadzenie sprzężenia siłowego dla telemanipulatora chirurgicznego

• Autorzy: Nawrat Z. , Mucha Ł. , Rohr K. , Lis K. , Lehrich K. , Krawczyk D. , Földesy P. , Radó J. , Dücső C. , Sántha H. , Szebényi G. , Fürjes P.

Warianty tytułu

EN

Robin Heart INCITE - application of haptic feedback to surgical telemanipulator

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy jest przedstawienie rozwoju projektu systemu sterowania robota Robin Heart z zastosowaniem specjalnych mikro--czujników 3D MEMS, dla weryfikacji ich następujących funkcji: 1) sterowanie robotem toru endoskopowego za pomocą mikro--dżojstika zintegrowanego z rękojeścią narzędzia laparoskopowego dla ergonomicznej manipulacji. 2) pomiar wartości i kierunku działania siły pomiędzy szczęką narzędzia laparoskopowego, a organem. 3) diagnostyki tkanek podczas pracy za pomocą czujnika dotykowego 3D umieszczonego w czołowej części narzędzia. Piezorezystancyjne sensory krzemowe zostały zaprojektowane i wykonane przez węgierską firmę EK MFA. Przeprowadzone zostały symulacje MES w celu określenia podstawowych parametrów mechanicznych czujnika. Czujniki zostały pokryte polimerem półprzewodnikowym PDMS (polidimetylosiloksan), następnie przeprowadzono badania wpływu powłoki elastycznej pod kątem czułości i czasu odpowiedzi. Zgodnie z wymaganiami medycznymi i funkcjonalnymi czujniki dodatkowo zostały pokryte biokompatybilnym elastycznym polimerem. Wykonany został prototyp miniaturowego zadajnika ruchu umieszczonego na części chwytowej narzędzia laparoskopowego. Przeprowadzone zostały testy polegające na orientacji robota w polu operacyjnym za pomocą trójosiowego czujnika siły. Przeprowadzono wstępne testy sensorycznego narzędzia laparoskopowego zintegrowanego z robotem ROBIN HEART i zadajnikiem ruchu Robin Hand. Zrealizowane badania prototypowych czujników wykazały ich użyteczność w układzie siłowego sprzężenia zwrotnego robota. Potwierdzono celowość aplikacji do oceny stanu tkanki i siły zacisku graspera laparoskopowego. Praca została wykonana w ramach projektu EU INCITE finansowana częściowo przez NCBiR.

EN

The aim of this work is to demonstrate the applicability and functionality of the Robin Heart robot's control systems integrated with special MEMS based 3D force micro-sensors. Three different robot functions and corresponding detector devices are proposed: 1) Micro-joystick type actuator to be integrated in the hilt of the laparoscope to control easily robotic movement during operation. 2) 1D force sensor located inside the laparoscopic jaw to provide feedback to the surgeon by measuring the grasping strength and 3) 3D (vectorial) force/tactile sensor placed at the tip of the laparoscope which facilitates palpation for tissue diagnostics during operation. The silicon based piezoresistive sensors have been designed and prepared by micromachining technologies in the MEMS Laboratory of EK MFA (Budapest, Hungary). According to the medical and functional requirements the sensors were electro-mechanically integrated and covered by biocompatible elastic polymer (polydimethylsiloxane – PDMS) by BME (Budapest, Hungary). The device geometry was modelled by coupled finite element simulation to determine its expected performance. The effect of the elastic coverage was studied in terms of sensitivity and response time also. Preliminary test of the laparoscopic head equipped with MEMS sensors and integrated in the ROBIN HEART surgery robot system was performed by FRK (Zabrze, Poland). A model of the robot controller using a prototype of 3D force sensor has been also successfully tested during the tests of the functional robot. Studies of the prototypes of “smart” sensory laparoscopes have demonstrated their remarkable usefulness in force feedback robotic systems to recognize the state of tissue and to determine the clamping force of the grasper of surgical system. The international cooperation to develop “smart” laparoscope for robotic surgery was done in the frame of the ENIAC “INCITE” project No.621278 and partially financed by the ENIAC JU and the National Centre for Research and Development (NCBR - Poland) and National Research, Development and Innovation Fund (NKFIA – Hungary).

Słowa kluczowe

PL

robot chirurgiczny; czujnik siły; czujnik dotykowy; chirurgia minimalnie inwazyjna; siłowe sprzężenie zwrotne; haptyczny

EN

surgical robot; force sensor; tactile sensor; minimal invasive surgery; MIS; force feedback; haptic

• Wydawca: Międzynarodowe Stowarzyszenie na rzecz Robotyki Medycznej
• Czasopismo: Medical Robotics Reports
• Rocznik: 2016
• Tom: vol. 5
• Strony: 34--42
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Nawrat Z.

• Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii – FRK, Pracownia Biocybernetyki, Zabrze, Polska

autor

Mucha Ł.

• Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii – FRK, Pracownia Biocybernetyki, Zabrze, Polska

autor

Rohr K.

• Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii – FRK, Pracownia Biocybernetyki, Zabrze, Polska

autor

Lis K.

• Politechnika Śląska, Mechaniczny Technologiczny, Katedra Budowy Maszyn, Gliwice, Polska

autor

Lehrich K.

• Politechnika Śląska, Mechaniczny Technologiczny, Katedra Budowy Maszyn, Gliwice, Polska

autor

Krawczyk D.

• Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii – FRK, Pracownia Biocybernetyki, Zabrze, Polska

autor

Földesy P.

• Centre for Energy Research, Inst. of Technical Physics and Materials Science – EK MFA, Budapest, Hungary

autor

Radó J.

• Centre for Energy Research, Inst. of Technical Physics and Materials Science – EK MFA, Budapest, Hungary
• Óbuda University, Budapest, Hungary

autor

Dücső C.

• Centre for Energy Research, Inst. of Technical Physics and Materials Science – EK MFA, Budapest, Hungary

autor

Sántha H.

• Budapest Univ. of Technology and Economics - BME, Budapest, Hungary

autor

Szebényi G.

• Budapest Univ. of Technology and Economics - BME, Budapest, Hungary

autor

Fürjes P.

• Centre for Energy Research, Inst. of Technical Physics and Materials Science – EK MFA, Budapest, Hungary

Bibliografia

• [1] L., Drabik, E. Sobol, Słownik języka polskiego PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN, ISBN: 97883-01173777, 2013.
• [2] Z. Nawrat: Robot Robin Heart – projekty, prototypy, badania, perspektywy, Rozprawa habilitacyjna nr 24/2011, ISBN 978-83-7509-191-5, ISSN 1689-6262, Katowice 2011.
• [3] Ł. Mucha: Interfejs użytkownika robota – przegląd urządzeń zadawania ruchu systemów sterowania telemanipulatorów, Medical Robotics Reports, vol. 4, 2015, s. 39-48.
• [4] Bidard C., Brisset J., Gosselin F.: Design of a high-fidelity haptic device for telesurgery. Proc. IEEE ICRA 2005, Barcelona, Spain, 2005, 205-210.
• [5] Cavusoglu M.C., Yan J., Sastry S.S.: A hybryd system approach to contact stability and force control in robotic manipulators. Proc. 12th IEEE ISIC 1997, Istanbul, Turkey, 1997, 143-148.
• [6] Ł. Mucha, K. Lehrich, Z. Nawrat, K. Rohr, K. Lis, W. Sadowski, D. Krawczyk, P. Kroczek, Z. Małota: Postępy budowy specjalnych interfejsów operatora robota chirurgicznego Robin Heart, Medical Robotics Reports, vol. 4, 2015, s. 39-48.
• [7] Sallé D., Bidaud P., Morel G.: Optimal design of high dexterity modular MIS instrument for coronary artery bypass grafting. Proc. IEEE ICRA 2004, New Orleans, USA, 2004; 2: 1276-1281.
• [8] Rosen J., Brown J.D., Chang L., Barreca M., Sinanan M., Hannaford B.: The BlueDRAGON – a system for measuring the kinematics and the dynamics of minimally invasive surgical tools in-vivo. Proc. IEEE ICRA 2002, Washington, DC, 1876-1881.
• [9] Iwata H.: Pen-based haptic virtual environment. Proc. IEEE Virtual Reality Annual International Symposium, Seattle, USA, 1993.
• [10] Braun E.U., Mayer H., Knoll A., Lange R., Bauernschmitt R.: The must-have in robotic heart surgery: haptic feedback. Medical Robotics. Ed. V. Bozovic. Vienna: I-Tech Education and Publishing 2008, 9-21.
• [11] Warren S. Grundfest, Martin O. Culjat, Chih-Hung King, Miguel L. Franco, Christopher Wottawa, Catherine E. Lewis, James W. Bisley, Erik P. Dutson, Development and Testing of a Tactile Feedback System for Robotic Surgery. Medicine Meets Virtual Reality 17; J.D. Westwood et al. (Eds.), IOS Press, 2009.
• [12] Z. Nawrat, K. Rohr, P. Fürjes, Ł. Mucha, K. Lis, J. Radó, C. Dücső, P. Földesy, W. Sadowski, D. Krawczyk, P. Kroczek, G. Szebényi, P. Soósd, Z Małota: Robin Heart Force Feedback/Control System Based on INCITE Sensors-preliminary study, Medical Robotics Reports, vol. 4, 2015, s. 11-17.
• [13] Z. Nawrat, K. Lis, K. Rohr, Ł. Mucha: Manipulator of a medical device, Patent USA, US 9393688 B2, 2016.
• [14] Z. Nawrat, K. Lis, Ł. Mucha, K. Lehrich: Rama nośna narzędzia medycznego. Wzór użytkowy, Polska, nr W.123845, 2015.
• [15] Nawrat Z., Rohr K., Fürjes P., Mucha Ł., Lis K., Radó J., Dücső C., Földesy P., Sadowski W., Krawczyk D., Kroczek P., Szebényi G., Soósd P., Małota Z.: Force Feedback Control System Dedicated for Robin Heart Surgical Robot, Procedia Engineering; Vol. 168, 2016, Pages 185-188, DOI.org/10.1016/j.proeng.2016.11.213.
• [16] Ł. Mucha, Z. Nawrat, K. Lis, K. Lehrich, K. Rohr, P. Fürjesb, C. Dücső: Sterowanie robotem Robin Heart Pelikan z zastosowaniem siłowego sprzężenia zwrotnego / Force feedback control system dedicated for Robin Heart Pelikan, Acta Bio-Optica et Informatica Inżynieria Biomedyczna, ISSN 1234-5563, Vol. 22 nr 3 2016, s.146-153.
• [17] K. Lis, K. Lehrich, Ł. Mucha, Z. Nawrat: Lekki manipulator toru wizyjnego Pelikan/ Pelikan light visual track manipulator”, Acta Bio-Optica et Informatica Inżynieria ,Biomedyczna, ISSN 1234-5563, Vol. 22 nr 3 2016, s.154-159 18 Concept of application of the light-weight robot Robin Heart (“Pelikan”) in veterinary medicine: a feasibility study Lis K., Lehrich K., Mucha Ł., Nawrat Z., Med. Weter. Vol. 73 No. 2 pp. 88-91 ref.19, DOI: 10.21521/mw.5640.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).