Development of a robotic system to assist neurosurgeons in minimally invasive stereotactic procedures

Abstract

Os robôs revolucionaram a indústria e estão a ser aplicados em aplicações mais complexas e críticas, incluindo cirurgias. O método estereotáxico foi desenvolvido para alcançar estruturas intracranianas sem visualização direta e através de uma abordagem minimamente invasiva, baseada num sistema de coordenadas. Devido ao formato das cirurgias estereotáxicas e funcionais, a adequabilidade de robôs como assistentes aos neurocirurgiões é aparente. Os robôs são agentes precisos, repetíveis, e configuráveis, frequentemente nomeados para tarefas de orientação de ferramentas. Apesar destas vantagens, apenas um número limitado de robôs cirúrgicos chegou ao mercado. Sistemas robóticos cirúrgicos atualmente em prática exibem elevados custos com um lento retorno financeiro, uma limitação causada em parte pela dificuldade em transferir tecnologia dos centros de investigação para as salas de operação. Nesta tese, olhámos para os sistemas robóticos neurocirúrgicos-chave para identificar os denominadores comuns e as características mais procuradas, como substituição da frame estereotáxica, e uma solução robótica acessível, flexível, interactiva, e precisa. Propomos duas soluções para abordar este problema. Primeiro, adaptámos um manipulador industrial de 6 graus-de-liberdade com um sistema de controlo monolítico, como prova de conceito e ferramenta de investigação. A segunda solução consiste numa arquitectura de controlo modular, construída sobre um modelo de componente e comunicação bem estabelecido, com um comportamento determinístico e com suporte para restrições de tempo real críticas, testado num manipulador de 7 graus de liberdade. No cerne da arquitectura modular está um método analítico de cinemática inversa para manipuladores redundantes capaz de resolver unicamente o espaço nulo, evitar singularidades, e limites de juntas. Este método oferece ao manipulador a flexibilidade necessária para se adaptar ao espaço de trabalho disponível que é partilhado com a equipa cirúrgica e com outros equipamentos. A arquitectura proposta inclui uma lista de componentes de controlo e supervisão interconectados para executar as diferentes tarefas cirúrgicas. Desenvolvemos e validámos um novo algoritmo para determinar os parâmetros reais do modelo cinemático de manipuladores. Testámos a precisão de aplicação do sistema in vitro e registámos um erro médio de 0.567 mm e um erro máximo de 1.094 mm. A vantagem da solução proposta é a sua performance, flexibilidade em integrar novos módulos, e na capacidade de melhorar componentes sem ter de renovar a solução por completo, ou escalar os custos.

Technology is often the answer to most of our problems. Robots revolutionized the industry and are finding their way into more complex and critical applications, including surgery. The stereotactic method was developed to reach intracranial brain structures without direct visualization and through a minimally invasive approach, based on a coordinate system. Due to the format of stereotactic and functional surgeries, the suitability of robots as a neurosurgeon’s assistants is apparent. Robots are accurate, repeatable, and configurable agents often assigned to tool guidance. Despite these advantages, only a handful of surgical robots reached the market. Current surgical robotic systems in practice exhibit high up-front costs with slow investment return, a limitation in part caused by the difficulty in transferring technologies from the research center into the surgical room. In this thesis, we examine the principal neurosurgical robotic systems to identify the common denominators and the most requested features, replacement of the stereotactic frame, affordable access to flexible, interactive, and accurate robotic solutions. We propose two solutions to address these subjects. First, we adapted an industrial 6 DoF manipulator with a monolithic control system, as a proof-of-concept and research tool. The second solution consists of a modular control architecture, built on top of a well-established component and communication model, with deterministic behavior and supporting hard-real-time constraints, tested in a 7 DoF manipulator. At the core of the modular architecture, is a novel analytic inverse kinematics method for serial redundant manipulators capable of uniquely solving the nullspace, avoiding singularities, and joint limits. This method provides the manipulator with the flexibility to adapt to the available workspace, which is shared by the surgery team and by other equipment. The proposed architecture also includes a list of interconnected controllers and supervisor components to perform the different surgical tasks. We also developed and validated a new algorithm to determine the real kinematic model parameters of manipulators, parameters that may differ from nominal values. We tested the system’s application accuracy in vitro and registered a mean error of 0.567 mm, and a maximum error of 1.094 mm. The real advantage of the proposed solution lies in its performance, flexibility to integrate new modules, and in the capacity to upgrade individual components without the need to overhaul the entire solution, or escalate the costs.