طراحی و ساخت یک مکانیزم فعالساز ابزار های مچ دار جهت بکارگیری در جراحی رباتیک

یکی از مزایای جراحی رباتیک درجات آزادی است که در اختیار جراح قرار می دهد. این درجات آزادی، فضای کاری جراح را بالاتر می برد. ساخت و افزودن مفصل مچ به ربات راهبر و درجات آزادی ایجادی ناشی از آن، نقش بسیار موثری در کارایی ربات های جراح به منظور بهبود مانورهای جراحی ایفا می کند. این امر امکان می دهد که ابزار، علاوه بر درجات آزادی حرکت بدنه اصلی (که توسط بازوی اصلی ربات تامین می شود)، از سه درجه آزادی مچ در نزدیکی محل عملگر انتهایی ابزار که در درون بدن بیمار قرار می گیرد برخوردار باشد. بدین ترتیب، مچ ابزار نقشی مشابه مچ جراح را در جراحی باز ایفا می نماید و با گسترش قدرت مانور جراح، امکان دسترسی بیشتری را به اندام های ناحیه عمل فراهم می آورد و کمک شایانی در ایجاد تصور جراحی باز را برای جراح فراهم می آورد. تا کنون ابزار های مچ دار متعددی به منظور به کارگیری در سامانه های جراحی رباتیک پیشنهاد شده اند. اما این ابزار ها معمولا به صورت یکپارچه با بازوی ربات طراحی می شوند و هزینه های تعویض و جایگزینی آنها قابل ملاحظه است.

هدف از این پروژه طراحی و نمونه سازی مکانیزم فعالسازی برای یک ابزار مچ دار لاپاروسکوپی یکبار مصرف و افزودن آن به سامانه جراحی رباتیک سینا است. این مکانیزم می بایست بتواند به طور عملی، همزمان با بازوی اصلی ربات به کار گرفته شود و مچ ابزار را هدایت کند.

طراحی و ساخت یک دستگاه راهبر هپتیکی برای جراحی رباتیک از راه دور

فناوری جراحی رباتیک علیرغم مزایای مهم آن (مانند خونریزی و زمان بستری کمتر بیمار نسبت به جراحی باز) هنوز با موانع جدی‌ای‌ روبرو است و تحقیقات بیشتر جهت ارتقای ربات‌های جراح امری ضروری می‌باشد. در حال حاضر، یکی از مهمترین معایب ربات‌های جراح عدم انتقال نیروهای ایجاد شده بین ابزار جراحی و بافت تحت عمل به دست جراح می‌باشد. در چنین شرایطی، جراحان تنها به اطلاعات بصری ارائه شده توسط دوربین‌های جراحی‌ تکیه ‌می‌کنند. برای مثال در غایب نیروهای عکس‌العملی، گره زدن نخ بخیه بسیار دشوار می‌باشد و تمرین زیادی نیاز است تا جراح از پاره شدن نخ جلوگیری کند و در عین حال بخیه از استحکام کافی برخوردار باشد. بنابراین، انتقال نیروهای هپتیکی به دست‌های جراح می‌تواند انجام حرکات پیچیده و دقیق را تسهیل بخشد.

هدف اصلی طرح حاضر طراحی و ساخت یک دستگاه راهبر با دستگیره‌ی هپتیکی‌ برای ربات جراح سینا می‌باشد. دستگیره‌ی مورد نظر حرکت‌‌های دست جراح را با هفت درجه آزادی دریافت می‌کند و همزمان ربات جراح پیرو ابزار جراحی را داخل بدن بیمار مطابق دست جراج به حرکت در می‌آورد. علاوه بر این، نیروهای وارد شده به ابزار جراحی اندازه‌گیری و از طریق این دستگیره‌ به دست‌ جراح منتقل می‌‌شوند. نوآوری اصلی این طرح این است که دستگیره هپتیکی مذکور به کارگیری ابزارهای لاپاراسکوپی مچ‌دار در ربات جراح را امکان‌پذیر می‌کند و جراح با آزادی عمل و راحتی بیشتری می‌تواند ابزار جراجی را مشابه جراحی باز به حرکت درآورد. استفاده از ابزارهای لاپراسکوپی مچ‌دار در طرح حاضر یک راه کار مناسب برای کاهش هزینه‌های جراحی می‌باشد. در حال حاضر، هزینه‌های بسیار بالای ربات‌های جراح و تعمیر نگهداری یکی دیگر از معایب این فناوری می‌باشد.

تخمین نیروهای تعاملی بافت و ابزار با استفاده از سنسور نیرویی پروگزیمال

با وجود گسترش جراحی‌های کم تهاجمی (جراحی لاپاراسکوپیک ) به دلیل کمتر کردن دوران نقاهت، صدمات کمتر به بیمار و حتی بهبود حرکات جراح، کماکان مشکلاتی متعددی در این حوزه در مقایسه با عمل باز وجود دارد. هرچند برخی از این مشکلات با تکنولوژی جراحی رباتیک حل شده اند اما همچنان موضوع بازخورد نیروی سر ابزار به دست جراح (هپتیک ) از موضوعات مورد توجه است. حس کردن نیروی وارده بر بافتها و نیز میزان نرمی بافت ها از نیازهای ضروری برای بهبود عملکرد جراح محسوب می شود.

بطور کلی، برای اندازه گیری نیروهای وارده بر سر ابزار به منظور بازخورد به دست جراح، دو روش اندازه گیری با سنسور دیستال(دور از مبدا) و پروگزیمال(نزدیک به مبدا) وجود دارد. روش اندازه گیری با سنسور دیستال اگرچه نتایج دقیقتری بدست می دهد ولی با مشکلاتی همچون نیاز به کوچک بودن سنسور، قابلیت استریل کردن سنسور، و هزینه ی بالای ساخت ابزار و تروکار مجهز به سنسور مواجه است. در مقابل، در روش اندازه گیری با سنسور پروگزیمال، این محدودیتها رفع می شود ولی تفسیر داده های حاصل از سنسور بسیار دشوار است زیرا نیروهایی که سنسور حس می کند علاوه بر نیروهای حاصل از برخورد بافت و ابزار شامل نیروها و ممانهای وارده از دیواره شکم، تروکار و تروکار گیر به میله ی ابزار (از جمله نیرو ها و ممان های الاستیک و نیروهای اصطکاک) و همچنین نیروهای اینرسی هستند. در این میان، نیروی اصطکاک بین تروکار و میله ی ابزار به نوع تروکار، سرعت و جهت حرکت ابزار در تروکار و رطوبت میله ی ابزار بستگی دارد و بر اساس مشاهدات در شروع حرکت و تغییر جهت آن نوسان های شدید در این نیرو به وقوع خواهد پیوست. از سوی دیگر، تعامل نیرویی که بین دیواره شکم و تروکار با ابزار بوقوع می پیوندد بسیار پیچیده است زیرا به توجه به انعطاف پذیری دیواره شکم و تروکار به امتداد ابزار و ناحیه تماس (درگیری) آن بستگی دارد. ضمن اینکه در عمل خود شفت ابزار نیز دچار خمش می شود. مجموعه این عوامل سبب می شوند که تخمین نیروهای وارده بر سر ابزار توسط سنسور پروگزیمال بگونه ای که بصورت عملیاتی برای یک ربات جراحی قابل استفاده باشد بسیار پیچیده باشد.

مدلسازی چند مقیاسی المان محدود مغز انسان برای جراحی رباتیک مغز

شبیه سازی رفتار مکانیکی مغز در مقابل بارهای مکانیکی که بصورت تماسی و یا اینرسی به آن وارد می شوند در کاربردهای مختلفی نظیر طراحی رباتهای جراحی مغز، طراحی وسایل محافظت از سر در مقابل ضربه و … اهمیت دارد. علیرغم تلاش های محققین، بدلیل پیچیدگی زیاد خواص مکانیکی بافت مغزی مدلهای کنونی قادر به شبیه سازی دقیقی از رفتار مکانیکی مغز نمی باشند. در مطالعات اولیه مغز به صورت یک ماده الاستیک مدل می شد، اما بتدریج با ملاحظه وابستگی رفتار آن به نرخ کرنش و تغییر شکل زیاد رفتار هایپر-ویسکوالاستیک پیشنهاد گردید. از سوی دیگر، از دید میکروسکوپیک آکسون ها که به صورت فیبرهای کامپوزیت در یک ماده ی زمینه دیده می شوند، به پیچیدگی رفتار مغز می افزایند و سبب می شوند که بافت مغزی رفتار غیر ایزوتروپیک از خود نشان دهد. این پیجیدگی زمانی بیشتر می شود که تفاوت راستا، طول و ویژگی های فیزیکی و مکانیکی آکسونها در نواحی مختلف مغز نیز مورد توجه قرار گیرد. نتایج مطالعات نشان داده است که کرنش های آکسونی می توانند بیشتر از بیشینه ی کرنش های اصلی در مدل ماکروسکوپیک المان محدود باشند. همچنین نشان داده شده است که در اثر نیروهای اینرسی اعمالی، نواحی نزدیک به رگها ی مغزی بافت آکسونی حساسیت بیشتری به تغییر شکل های کوچک دارند. بنابراین، بخش عمده ای از مساله ی پاسخ بافت مغزی به تحریک های اینرسی و غیر اینرسی خارجی، می تواند ناشی از رفتار بافت مغز در مقیاس میکروسکوپیک یا همان رفتار آکسون ها در میدان کرنش باشد.

طراحی و پیاد‌سازی الگوریتم تخمین نیروی نوک ابزار جراحی در سیستم‌ جراحی رباتیک

با توجه به امکان انجام جراحی‌های کم تهاجمی توسط ربات‌های جراح، بهبود عملکرد و رفع محدودیت‌های این سیستم‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است [1]. یکی از این محدودیت‌ها، عدم آگاهی دقیق جراح از میزان نیروی ایجادشده در سر ابزار جراحی است که می‌تواند آسیب‌های جبران‌ناپذیر به بیمار وارد کند [2]. ربات داوینچی به‌عنوان تنها رباتی که مجوز FDA را کسب کرده است نیز با این مشکل مواجه است. آقای ون در میدن گزارش‌هایی درباره نیروی اعمالی به ارگان‌ها و کار با ابزار لاپاروسکوپیک ارائه کرده است؛ که طبق آن مقدار حساسیت ازدست‌رفته به هنگام استفاده از ابزار لاپاروسکوپیک به‌جای دست جراح با مقیاس ۸ تا ۲۰ برای جراحان مختلف متفاوت است [2]. در گزارشی کامل‌تر که با ربات داوینچی انجام‌شده است، اوکامورا [3] توضیح می‌دهد که اکثر سیستم‌های تجاری جراحی از راه دور دارای بازخورد لامسه‌ای نیستند. مشکل عمده‌ای که جراحان قلب باتجربه و ماهر در هنگام عمل جراحی با سیستم‌های جراحی رباتیک در هنگام بخیه زدن مواجه می‌شوند، کشیدگی بیش‌ازحد نخ به‌خصوص در زمان گره زدن است.
اندازه‌گیری نیروهای سر ابزار (نیروهای تعاملی بین ابزار و بافت) به دو روش دیستال و پروگزیمال امکان‌پذیر است. علیرغم دقت بالای اندازه‌گیری به روش دیستال، ولی هزینه بالا، استریل پذیری و احتمال وجود مواد غیر سازگار با بافت و عدم توانایی اندازه‌گیری نیروهای متوسط و بزرگ ازجمله موانعی هستند که کلینیکی شدن این نوع اندازه‌گیری را در عمل دشوار می‌کنند. راه‌حل جایگزین استفاده از طرح‌های اندازه‌گیری پروگزیمال است که در این زمینه مطالعات محدودی انجام‌شده است. در اغلب این مطالعات از یک سنسور اضافی متصل به تروکار برای اندازه‌گیری نیروی اصطکاک بین ابزار و تروکار استفاده‌شده است. البته به دلیل دخیل شدن نیروهای دیگر مانند اصطکاک تروکار، اصطکاک پین‌ها و … تعیین نیروهای وارده به سر ابزار با استفاده از داده‌های سنسور پروگزیمال دشوار است.
اخیراً شایسته پور و همکاران الگوریتمی مبتنی بر مدل ارائه کردند که امکان می‌دهد با استفاده از نیروهای اندازه‌گیری شده توسط سنسور پروگزیمال و زیرمدل‌هایی از تعاملات بین بافت و ابزار، نیروی سر ابزارهای ساده را در حالت استاتیک تخمین زد [4]. پیاده‌سازی روش آن‌ها بر روی یک ست‌آپ آزمایشگاهی ساده نتایج امیدبخش را به دنبال داشت

1