Desenvolvimento de um assistente robótico para neurocirurgias estereotáxicas: solução baseada no robô Sawyer

Abstract

A presente dissertação de mestrado pretende contribuir para o desenvolvimento de um assistente robótico capaz de auxiliar a equipa médica em neurocirurgias estereotáxicas, durante o tratamento sintomático de doenças neurológicas e neuropsiquiátricas. O sistema robótico deve ser capaz de segurar, manipular e alinhar os diversos instrumentos médicos ao longo das trajetórias cirúrgicas planeadas e respeitar as instruções da equipa médica, bem como os procedimentos de segurança. Inicialmente, são estudados os procedimentos neurocirúrgicos estereotáxicos. De seguida, é elaborada uma revisão bibliográfica dos sistemas robóticos direcionados para este tipo de neurocirurgias, de forma a compreender quais as características essenciais para que um sistema robótico possa desempenhar o papel de assistente no bloco operatório. Para dotar o sistema robótico Sawyer com tais funcionalidades, a estrutura mecânica do seu braço robótico é modelada matematicamente e são resolvidos os problemas da cinemática direta e inversa. Tanto quanto os autores sabem, o braço robótico do Sawyer é a estrutura mecânica mais complexa entre os manipuladores existentes, tendo sido desenvolvido um novo método semi-analítico para a resolução do problema da cinemática inversa. Ademais, são analisadas as singularidades do Sawyer, é implementado um algoritmo de controlo para o afastamento dos limites mecânicos das juntas e é explicada a conversão das trajetórias cirúrgicas definidas no espaço Cartesiano para o espaço das juntas. Para que a aplicação de controlo desenvolvida seja utilizada de forma simples e intuitiva pelo neurocirurgião, elaborou-se uma interface gráfica que dota o sistema robótico com as funcionalidades necessárias para cooperar na sala de neurocirurgias. Utilizando esta interface, o neurocirurgião pode introduzir as diretivas pré-operatórias fornecidas pelo software de planeamento médico e avaliar a precisão e o comportamento do sistema robótico, tanto em contexto de simulação como no ambiente real. Os resultados obtidos demonstram que o sistema robótico Sawyer é capaz de cooperar em neurocirurgias de Estimulação Cerebral Profunda (DBS) e de Estereoeletroencefalografia (SEEG) com precisão submilimétrica, respeitando todos os procedimentos de segurança.

This Master’s thesis aims to contribute for the development of a robotic assistant capable of assisting the medical team in stereotactic neurosurgeries, during the symptomatic treatment of neurological and neuropsychiatric disorders. The robotic system must be able to hold, manipulate and align various medical instruments along the planned surgical trajectories and follow the instructions of the medical team, as well as the safety procedures. Initially, stereotactic neurosurgical procedures are studied. Then, the literature review of robotic systems oriented to this type of neurosurgeries is elaborated, in order to understand which are the essential features so that a robotic system can play an assistive role within the operating room. To provide the Sawyer robotic system with such functionalities, the mechanical structure of its robotic arm is mathematically modeled and the forward and inverse kinematics problems are solved. As far as the authors know, Sawyer’s robotic arm is the most complex mechanical structure among the existing manipulators. For this reason, a new semi-analytical method has been developed to solve the inverse kinematics problem. In addition, Sawyer’s singularities are analyzed, a control algorithm to avoid the joint mechanical limits is implemented and the conversion of surgical trajectories defined in the Cartesian space to the joints space is explained. In order to use the developed control application in a simple and intuitive way by the neurosurgeon, it was developed a graphical user interface that provides the robotic system with the necessary functionalities to cooperate in the neurosurgery room. By using this interface, the neurosurgeon can introduce the preoperative directives provided by the medical planning software and evaluate the accuracy and behaviour of the robotic system, both in simulation context and in real environment. The obtained results show that Sawyer robotic system is able of cooperating in Deep Brain Stimulation (DBS) and Stereoelectroencephalography (SEEG) neurosurgeries with sub-millimeter accuracy, respecting all the safety procedures.