آشنايي با روباتيك - AUT



[pic]

دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیرکبیر

سمینار درس کاربرد فناوری اطلاعات پزشکی

تهیه کنندگان : سپند سیروس کبیری

طاهره ایرانخواه

با تشکر از زحمات جناب آقایان دکتر توحیدخواه و احمدی پژوه

فهرست :

مقدمه 5

تاريخچه 5

انواع medical robots 6

Biorobotics 7

Biorobotics system: ddx 7

Disease detector 3 8

other Biorobotics 8

روباتهای توانبخشی 12

Movar 13

GBO 14

Alex 14

SUE 15

Calies 16

جراحی از دور. 16

تعریف روبات جراح. 19

مراحل معمول در جراحی زانو با روبات 20

انواع ارتباطات 21

ارتباط VPN اختصاصی 21

ارتباط VPn غیر اختصاصی 21

سیستم home-base 21

مزایا 22

مزاياي سيستم CAS 23

- دو نوع اصلی رباتیک در جراحی 23

Da vinci sergical system 24

- معرفی 24

-نگاه کلی به سیستم 24

-کنسول جراحی 24

-patient- side cart 25

-ابزار جدایی پذیر 25

سیستم بینایی سه بعدی 26

رقبا 27

اطلاعات ارقامی در مورد بازار سیستم های جراحی با روبات 27

مزایا و مضرات 28

برآورد سرمایه اولیه و هزینه انجام هر عمل دریچه قلب توسط داوینچی 29

هزینه ها 30

بازپرداخت 30

مکانیرم امنیتی 31

چشم انداز آینده 31

instuite of robotic and mechatronics 32

UCB/UCF LAPARASCOPIC TELESURGICAL WORKSTATION 33

کاربردهای دیگر 35

محدودیت تکنیکی 37

محدودیت اقتصادی، 37

محدودیت اجتماعی 38

HAPTICS 38

نقش بازخورد لمسی در جراحی با کمک روبات 39

متدهای کنترل دستکاری در بازخورد لمسی 40

متد عملی برای بازخوزد لمسی 40

بررسی آزمایشگاهی تاثیرات جایگزینی حسی به عنوان روش عملی بازخورد حسی 41

مطالعات در دست انجام در زمينه بازخورد لمسي 42

سيستم هاي مرتبط با با بازخورد لمسي 42

سيستمZeus 42

سيستم Virtual fixture 44

Future works 37

منابع 46

مقدمه :

جراحي از راه دور جراحان را براي انجام پروسه هاي جراحي از راه دور قادر مي سازد، به عبارت ديگر اين فناوري نوپا، كاربردي از Telemedicine در زمينه جراحي و نوعي از Telepresence است. جراحي از راه دور تركيبي از علم ربات و فناوري ارتباطات پيشرو مانند ارتباطات داده با سرعت بالا و عناصر سيستمهاي مديريت اطلاعات است. فناوري‌هاي مرتبط با اين فناوري، حقيقت مجازي، شبيه‌سازي سه بعدي، علم هپتيك و ارتباطات با پهناي باند وسيع هستند.

گرچه زمينه جراحي رباتيك تا اندازه اي محقق شده است؛ اكثر اين رباتها توسط جراحان در محل جراحي كنترل ميشوند. جراحي از راه دور امكان در دسترس بودن مهارت جراحان متخصص را براي بيماران در سراسر دنيا فراهم مي كند، بدون اينكه نيازي به مسافرت بيماران از بيمارستان محل خود باشد.

تاریخچه

بنا به اظهارات جكس مارسكاس يكي از پيشگامان اين نوع جراحي ، طرح جراحي از راه دور در سال 1993 بعد از اين كه او در سخنراني يك پزشك نظامي شركت كرد و اين پزشك كاربرد آن را در فضا و صحنه هاي جنگ پيش بيني كرد، پا به عرصه وجود گذاشت. مارسكاس ابتدا با شريكان اروپايي همكاري كرد اماآنها به زودي دريافتند كه فناوري موجود آنها با درخواستهاي اتاق عمل هماهنگ نيست، زيرا عمدتاً انتقال داده از طريق ماهواره خيلي آهسته بود. او سپس كار با پولون وانگ، افسر ارشد كامپيوتر موشن در سانتا باربارا و توسعه‌دهنده سيستم رباتيك Zeus (سيستم بكاررفته در اولين جراحي از راه دور) را شروع كرد. وانگ كه به علم رباتيك پزشكي علاقمند شده بود، در اولين دهه 1990، در شروع جراحی پر سروصداي لاپاروسكوپي مناسب ديد كه آنرا با ارتباطات از راه دور و علم رباتيك تركيب كند. او محل كارش ناسا را ترك كرد و شروع به توسعه دادن يك سيستم رباتيك فعال شونده با صوت كرد.

بين سپتامبر 1999و ژوئن 2000 عمل جراحي با استفاده از سيستم Zeus انجام شد كه در اين عمل، فاصله جراح از بيمار در اتاق عمل 4 متر بود.

درسپتامبر 2001، يكي از قديميترين جراحيهاي از راه دور، توسط جراحي در نيويورك، با برداشتن كيسه صفرا از يك خانم 68 ساله، با فاصله 6230 كيلومتر، در استراسبورگ فرانسه اجرا شد. اين عمل ركورد گرانترين عمل جراحي را در تاريخ به مبلغ بيش از يك ميليون دلار شكست؛ اما مبلغ سرسام‌آور اين عمل نبود كه موضوع اصلي در مطبوعات معتبر پزشكي شد. بلكه آن اولين نمونه جراحي از راه دور فرااطلسي بود. اين يك كشف علمي پزشكي نبود، زيرا جراحي از راه دور قبلاً به طور موفق‌آميزي انجام شده بود، بلكه گواه اين اصل بود كه فناوري كامپيوتر، علم ربات و فايبر اپتيكس و تكنيكهاي جراحي به طور كافي پيشرفت كرده‌اند تا بر مشكلات تكنيكي كه قبلاً اين رويكرد را مختل كرده بود، فائق آيند.

اكنون برخي از انواع جراحي از راه دور در تعدادي از كشورها انجام ميشود مانند اتريش، آلمان، ايتاليا، سنگاپور و برزيل.

انواع Medical Robots

• Biorobotics

• Rehabilitation Robotics

– Computer Assisted Surgery

این روباتها به منظور فراهم کردن زمینه بهتر برای درک بهتر از فیزیولوژی انسان طراحی و شبیه سازی شده اند همچنین منجر به پیدایش تعداد زیادی برنامه های کاربردی تر برای جایگزینی اندام و یا فعالیت های انسان شده است مانند :

کمک در شنوایی

-امکان جایگزینی چیپ ست در مغز

-پیوند میکروسکوپی فعال در قلب جهت پمپاژ خون

-داده و تصویر میکروسیستم های فراگیری جهت دید مصنوعی

-میکرو چیپ ست هایی جهت تشخیص صدا و به منظور جایگزینی عصب سمعی

این روباتها همجنین ممکن است جهت کمک در تحقیق بیماری ها یا دیگر دردهای مرتبط با قلب به کار بروند به عنوان مثال

-روبات کرم اینچی inch-worm ساخت سنگاپور که در اکتشافات کلونی به کار می رود

-روبات intestinal bug که در لابراتوار نانو تکنولوژی CMU به کار می رود

Biorobotic System: DDX

یک سیستم بیو روباتیک می باشد که به منظور کسب داده از حرکات انگشت انسان که در آنالیز اختلال عصبی با سنجش کمی هر دوی زمان پاسخ و حرکات دینامیکی بیمار کاربرد دارد به کار می رود

هدف اندازه گیری پارامترهای پاسخ یک شخص در مقابل یک تماس ساده که در اثر انگشتش در جلوی دکمه به وجود می آید

این روبات هم اکنون در فعالیت های روزانه کلینیکی جهت تشخیص پیشرفت پارکینسون به کار می رود.

Disease Detector 3 (DD3)

یک سیستم کنترلی فازی است که جهت تشخیص پارکینسون به کار می رود

ممکن است که در نظارت از راه دور بر سلامت بیماران در منزلشان هم به کار رود

بیمار دکمه ای را روی joystick فشار میدهد سپس سیستم زمان پاسخ , سرعت و فشار اثر انگشت را اندازه می گیرد.

حرکت مجازی : بر روی صفحه نمایش ، بیمار همراهی هر تصویر مجازی را در هر لحظه تست درخواست می کند . دوباره ، سیستم زمان پاسخ , سرعت و فشار اثر انگشت را از فشار دکمه و گرفتن joystick اندازه می گیرد

Other Biorobots

Intestinal Bug : این روبات شش پایی با دوربین سطحی به پزشکان امکان رویت درون معده را می دهد

[pic]



سنسور Cmos شبیه شبکیه چشم جهت بینایی

[pic]

سیستم تشخیص از راه دور medical

[pic]

تولید صدای بیومکانیک

به منظور آدرس دهی سوالات از نظر مبحث علت و معلول و معالجه آسیب شناسی های صدای معمول

[pic] [pic]



Other Biorobots

طرح یک اثر انگشت سه نوع متفاوت از سنسورها را در خود جای داده که اطلاعاتی را در غالب شی هندسی و خصیصه های مادی را فراهم می کند که با اثر انگشتهای گرفته شده از انسان قابل مقایسه می باشد .

یک نمای کلی از یکی از سنسورها ( سنسور با آرایه 256 تایی) که فضای گوناگون موجود در گیرنده های لامسه در پوست سر انگشت را در خود دارد

[pic]

روباتهای توانبخشی

شامل :

- سیستمهای روباتیک مخصوص بیمارستانها :

– HelpMates

– MELKONG

1. اداره کننده در توانبخشی :

بازوهای ویلچر

-MovAR : دستیار کار سیار the Mobile Vocational Assistant

- URMAD : بر پایه حرکت است که پاسخگوی ایستگاههای کاری ثابت می باشد و اساسا برای کاربرد های ساکن به کار می رود

2. ویلچرهای هوشمند

که دارای Navigation خاص خود جهت غلبه بر مشکلات می باشد

3. دستیار زندگی روزمره :

MOVAID : سیار می باشد که در ایستگاههای کاری متفاوت فعالی نصب می شود بر اساس تکنولوژی URMAD

4. Functional Electric Simulation (FES) شبیه ساز الکتریکی تابعی

Computer-Aided Locomotion by Implanted Electro-

Stimulation (CALIES)

7. محیط های مجازی جهت تمرین و درمان توانبخشی

MoVAR (1983-1988)

دارای امتیاز انحصاری و شامل 3 چرخ بر مبنای گیرنده یا فرستنده امواج در جهت مناسب

دارای بازوی puma-250 با نی دوربین نصب شده به منظور نمایش فعالیتها و محیط حول کنسول به مصرف کننده

از باریکی کافی به منظور حرکت در بین درها و فضاهای باریک برخوردار است

از تکنولوژی wireless digital link به منظور دریافت دستورات و ارسال دستورات آماری و موقعیتی برخوردار است

ازسیستم سنسور برای تشخیص موانع

سنسورهای نیرو نصب شده و سنسور های نزریکی جهت کمک در پردازش

کنسول روبهت شامل 3 مونیتور: نقشه حرکات ربات به صورت گرافیکی ، وضعیت روبات ، و دوربین نظارت محیط . این کنسول همچنین شامل کیبورد ، voice و کنترول کرسر و خروجی صدا می باشد

سرمایه گذاری در آن در سال 1988 به پایان رسید . سخت افزار ، نرم افزار آن به شرکت the Intelligent Mechanisms Group وابسته به NASA Ames Research Center (Mountain View, CA) برای استفاده در توسعه کنترل های real time و اگذار گردید

[pic]

Gravity Balancing Leg Orthosis (GBO)

[pic]

این سیستم به منظور کمک به افرادی که دارای یک پای سالم هستند به منظور راه رفتن با حذف اثرات جاذبه طراحی شده است . طرح پیشنهادی این دستگاه مربوط به گذشته است . قصد بر این است که ار این وسیله به عنوان یک وسیله توانبخشی جهت کمک به بیماران در تمرین دادن عضلات و ماهیچه ها و بازیافتن کنترل و قدرت گذشته طراحی شده است . این وسیله این مشخصات را داراست :1 می تواند کامل و یا تا حدی تعادل سنگینی پای انسان را در رنجی از حرکات حفظ کند 2 در منظور مشخص انسان قابل تنظیم و tune برای رسیدن به سطح دلخواه تعادل سنگینی می باشد .

Active Leg EXoskeleton (ALEX)

[pic]

این دستگاه جهت ایجاد توانبخشی در مورد بیمارانی که در راه رفتن نا توانند طراحی شده است .

force-field controller پیشنهاد شده که می تواند نیروهای مناسب را در پا جهت کمک کردن آن در حرکت در مسیر مورد نظر به کار برد. تعامل ما بین فاعل و orthosis شکل کمک به محض نیاز برای راه رفتن موثر و امن تر طراحی شده است . کنترلر ابتدا در شبیه سازی تست شد بعدا آزمایشات هدایت شده انجام شد .

آزمایشات با سوژه های سالم در حال راه رفتن بر روی تردمیل انجام شد و نشان داد که سوژه های سالم می توانند در حدود 45 دقیقه با alex با گام برداشتن مشخص جایگزین شده راه بروند . در ماه بعد ، orthosis جهت راه رفتن بیماران ضرب دیده استفاده شد

Swing Assist Unmotorized Exoskeleton(SUE)

[pic]

یک وسیله غیر فعال به عنوان کمک به بیماران مصدوم . این وسیله به منظور کاهش تقاضا های فیزیکی به تراپیستها در حین تمرین تردمیل به وجود آمده . به شکل پای انسان با دو لینک و یک ممیز پا مدل شده است با یک تنه محرک .

یک سری المنتهای انفعالی به کار بسته شده که با تردمیل قابل شارژ هستند . استفاده از سیستم دینامیک ، پارامترهای طراحی بهینه شده تا حرکت پاندولی شکل پا ممکن باشد .این وسیله بر اساس این پارامترهای طراحی ساخته شده و بر روی سوژه های سالم در سرعتهای متفاوت تردمیل اجرا شده است.

Computer-Aided Locomotion by Implanted Electro-Stimulation (CALIES)

احتمالا تاثیر مهمی در دنیا جهت ترمیم کردن نقل و انتقال و حرکت مستقل در مورد افراد فلج دارد [Dario, 1996]

امکان پیوند الکترودها را درون عضلات اعضا یا اعصاب را اثبات می کند که می تواند از طریق کامپیوتر خارجی بر انگیخته و به حرکت در آید و راه رفتن طبیعی و عادی را ایجاد کند

جراحی از راه دور

|1985 |Kwoh et al used Puma 560—a standard industrial robot—to hold a fixture next to the patient’s head|

| |to locate a biopsy tool for neurosurgery |

|1985 |Taylor at IBM was developing an industrial robot system (based on an IBM ‘Scara’ style of robot) |

| |for hip surgery. Following laboratory studies, the robot became a ‘veterinarian robot’ replacing |

| |hips of pet dogs under direction of vet Dr. Hap Pal. |

| | |

| |The IBM robot was replaced by a Scara industrial robot from the Japanese company, whose |

| |Sanko-Seiki control system incorporated additional safety structures for surgery. |

|1988 |First attempt at active motion robot in surgery. The Mechatronics in Medicine Group at Imperial |

| |College built onto Puma 560 to perform soft-tissue surgery in transurethral resection of prostate|

| |(TURP). |

|April 1991 |First time an active robot was used to automatically remove tissue from patients. This resulted |

| |from developments based on the PUMA studies for TURP. Since that time a 2nd-generation prostate |

| |robot (called Probot) has been developed at Imperial College. |

| | |

|Late 1991 |The modified Sanko Seiki robot system, now called ‘Robodoc’ was tried clinically on human |

| |patients. |

|Dec 1993 |The AESOP 1000, used for holding an endoscopic camera in minimal invasive laparoscopic surgery, |

| |developed by Computer Motion was approved by the FDA. |

|1997 |The da Vinci Surgical System manufactured by Intuitive Surgical Inc., became the first assisting |

| |surgical robot to receive FDA approval to help surgeons more easily perform laparoscopic surgery.|

| | |

| |Jacques Himpens and Guy Cardier in Brussels, Belgium used the da Vinci by Intuitive Surgical Inc.|

| |system to perform the first telesurgery gall bladder operation. |

|Oct 2001 |ZEUS® Robotic Surgical System from Computer Motion receives FDA regulatory clearance. |

| |(ZEUS’s 3rd arm is an AESOP voice-controlled robotic endoscope for visualization [Lanfranco et |

| |al, 2004].) |

|Sept 2001 |ZEUS robotic system developed by Computer Motion was used in the trans-Atlantic operation. A |

| |doctor in New York removed the diseased gallbladder of a 68-year-old patient in Strasbourg, |

| |France. See [Marescaux, 2002] for details. |

جهت اطلاعات بیشتر :



تعریف روبات جراح :

کامپیوتر پردازشگر قابل کنترل قدرتمندی که دارای حسگرهای مصنوعی می باشد که جهت حرکت دادن ابزاربه منظور انجام یک سری اقدامات مربوط به جراحی برنامه ریزی می شود B Davies (2000)

سیستم های روباتیک جراح اول computer-integrated surgery (CIS)

و دوم medical robots هستند . به نوعی دیگر ، روبات به خودی خود یک جز کوچک از سیستم های بزرگی هستند که درانجام جراحی به روبات کمک می کنند.

که شامل preoperative planning ، intraoperative registration

جهت برنامه ریزی قبل عمل ، استفاده از مجموعه ای از روباتهای دستیار و تجهیزات کنترلی دستی جهت انجام plan می کنند و postoperative verification

Taylor (2003)

مراحل معمول در جراحی زانو با روبات [Davies, 1999

|Pre-operative: |گرفتن تصویربیمار |

| |ویرایش تصاویر و ایجاد یک مدل 3 بعدی از پا |

| |ایجاد یک مدل 3 بعدی اندام مصنوعی |

| |سوار کردن اندام مصنوعی بر روی مدل 3 بعدی پا |

| |تطبیق و بهینه سازی فضا |

| |برنامه ریزی رویه عمل |

|Intraoperative: |قرار دادن و ثابت کردن بیمار روی میز |

| |قرار دادن و ثابت کردن روبات روی زمین یا میز |

| |وارد کردن برشهایی از مدل 3 بعدی در کنترلر روبات |

| |اطلاع روبات از بیمار |

| |انجام توالی حرکت روبات |

| |(نظارت برای حرکت غیر ضروری بیمار) |

|Post-operative: |جابجا کردن روبات از مجاورت |

| |مرخص کردن بیمار |

| |چک کردن کیفیت کارو روش |

|If further cuts are necessary: |بازنگه داشتن بیمار |

| |قرار دادن مجدد بیمار و اطلاع روبات از بیمار |

| |تکرار روش روباتیک |

-

انواع ارتباطات

تا سپتامبر 2001 متخصصان telemedicine براين باور بودند كه 500 كيلومتر بيشترين حد چنين پروسه‌هايي بنا به تاخير زماني واقع شده توسط سيستم‌هاي ارتباطات است. ولي جراحي از راه دور نيويورك به استراسبورگ بر اين محدوديت غلبه كرد وپزشكان قادر به عمل جراحي با تاخير كمتر از 200 دقيقه بين دستكاري كنترل‌ها در نيويورك و عمل ربات در استراسبورگ بودند. اين كار توسط يك سيستم انتقال داده با سرعت بالا از تله‌كام فرانسه كه همه بخش‌هاي دستگاه اعم از دوربين ، ويدئو، ربات، تلفن را به يك سرويس فايبراپتيك با پهناي باند فرااطلسي 10 مگابايتي در ثانيه متصل ميكرد، عملي شد.

ارتباط VPN اختصاصي

اين ارتباط از طريق تكنولوژي ATM(روش انتقال غير همزمان) برقرار شد. نودهاي شبكه ATM از طريق يك شبكه فايبر اپتيك زميني با سرعت بالا بهم وصل شدند كه اين شبكه(VPN) داده را از طريق ارتباطات مجازي مخصوص هر مشتري انتقال ميداد. اين روش يك سرويس با كيفيت بالا براي انتقال داده فراهم ميكند كه درآن احتمال نداشتن وقفه(درصد ميزان دسترسي شبكه) 99.99% است و نيز اتصال تضمين شده، تاخير كم انتقال و نسبت اتلاف كم پكتها از ديگر ويژگيهاي روش ATM است. در اين روش همچنين يك خط اضافي همسان جهت تقويت و احتياط در صورت شلوغي خط اتصال در دسترس بود.

ارتباط VPN غير اختصاصي

يك جراح لاپاروسكوپي در هميلتون كانادا به نام دكتر انوري، جراحيهاي بيشماري روي بيماران شهر نورث‌بي در 400 كيلومتري هميلتون انجام داده است. او گرچه از يك ‌VPN بر روي يك ارتباط فايبر اپتيك غير اختصاصي استفاده ميكند كه با داده ارتباطات دوربرد عادي مشترك است ولي هيچ مشكل ارتباطي در طول انجام پروسه‌هايش نداشته است.

سيستم home-based

يك جراح اورولوژي به نام پروفسور كاووسي در دانشگاه جانز هاپكينز، كه در اوايل دهه 1990 جراحي به روش حداقل تهاجم براي پيوند كليه را شروع كرد، براي آموزش تكنيك جديد خود به جراحي دوربرد روي آورد. سيستمي كه او استفاده كرد برخلاف پروژه نيويورك-استراسبورگ، home-based بود و از خطوط تلفن ISDN، ارتباط صوتي و ويدئويي، دو دوربين و تصويرهاي راديولوژي همراه با ربات واقع در اتاق عمل براي برقراري ارتباط استفاده كرد.

مزایا

از دیدگاه Davies

- قابلیت حرکت دادن مرحله قبل از تعریف و قابلیت برنامه ریزی مجدد در مسیرهای 3 بعدی پیچیده که هر دو سریع و قابل پیش بینی هستند

- قابلیت تحمیل کردن ابزار جهت مسیر و فضاهای مخصوص حتی در مقابل فشارهای وارده خارجی ، بدین گونه که از آسیب های مناطق حیاتی جلوگیری شود که این خود منجر به روشی امن تر نسبت به آن دسته که از Computer Assisted Surgery (CAS). استفاده می کنند

- توانایی خستگی ناپذیر انجام حرکات تکراری در یک دوره طولانی

- قابلیت حرکت به یک مکان مشخص سپس برداشتن وسیله هایی و نگاهداشتن آنها برای مدت طولانی و با دقت بالا و محکم

- قابلیت انجام کار در محیط های نا امن برای انسان مثل محیط های رادیو اکتیو

- حرکات میکرویی و ریز دقیقی با نیروهای میکرویی و ریز از قبل مشخص

- پاسخگویی سریع و اتو ماتیک به سیگنالهای حسگر یا به تغییرات در فرمانها

كامپيوترها و تكنولوژي، فعل وانفعالات فزاينده‌اي با جراحان در درون و بيرون اتاق عمل دارند. پذيرش سريع لاپاروسكوپي براي استفاده روزمره از آن است. توانايي كامپيوتر براي افزايش،تعديل،انتقال داده‌هاي الكترونيكي، مديريت بيمار را قبل و حين و بعد از عمل تغيير مي دهد.

بنابراين پيشرفتهاي تكنولوژي، تاثير زيادي بر روشي كه جراحي، طراحي و اعمال ميشود دارد، براي مثال، يكسري مطالعات تصويري قبل از عمل كبد، نشان ميدهد تبديل كامپيوتري اسكن‌هاي تومورنگاري محاسبه شده سنتي به تصويرهاي سه بعدي حقيقت مجازي، ساختارهاي آناتومي بيمار و وجود هر نوع پاتولوژي را به طور واضح توصيف ميكند. به وسيله اين مدل جراح مي تواند سطوح كالبدشكافي را قبل و بعد از عمل جراحي انتخاب كند. اين پيشرفت مهم در تكنولوژي تصويري منجر به جراحي هدايت شده به وسيله تصوير در تخصص‌هايي مانند جراحي اعصاب شده است و نيز منجر به توجه فزاينده در جراحي به كمك كامپيوتر شده است. براي به دست آوردن منافع جراحي در درون بدن تصويرسازي كل عمل جراحي بايد به شكلي از ارتباطات منتقل شود كه با اطلاعات منتقل شده به وسيله تصويرسازيreal time بتواند تركيب شود. اين كار به وسيله انتقال حركات وسايل جراح به سيگنالهاي الكترونيكي يا digitization-كه بتواند به وسيله يك سيستم رباتيك جراحي پردازش شود- ممكن ميشود. سيستمهاي رباتيك رايج بكار برده شده، بر اساس يك اصل master-slave عمل ميكند، كه اين اصل استفاده از يك كنسول كامپيوتر master را كه بوسيله جراح بكارانداخته مي شود، شامل ميشود. جراح ورودي كامپيوتر، دستكاري دستگاه‌هايmaster كه ابزار آندوسكوپي را كنترل ميكند و دستكاه‌هايslave كه به باروي كنترل رباتيك وصل و دستكاري ميشوند را تركيب ميكند. اين دستكاري رباتيك passive با كمك كامپيوتر انجام ميشود، زيرا ربات تحت كنترل مستقيم يك جراح عمل كننده است.

مزایای “Computer-Assisted Surgery”

• [Schep et al, 2001]

- برخی سیستم ها لرزش دست جراح را می گیرند

- دقت بالاتر

- خطر قرار گرفتن کمتر در محیط های رادیویی برای بیمار و پزشک

- صرفه جویی در زمان به خاطر شبیه سازی و برنامه ریزی بهتر

براي معرفي CAS به اتاق عمل و پيشرفت و كاربرد CAS درعملهاي جراحي روزمره رعايت نكات زير ضروري است:

اولاً مانند هر فناوري جديد، آموزش تجربي آزمايشگاهي، قبل از هر عمل كلينيكي لازم است. جراح بايد برانجام عمل روي مدلهاي حيوانات ماهر باشد و توسط متخصصان كاربرد كامپيوتر در يك همكاري ميان صنعت و جراحان آموزش داده شود. اين امر بايد اطمينان دهد كه جراح يك سطح بالايي از مهارت را در كاربرد وسايل رباتيك قبل از استفاده آن بر روي بيمار دارد.

ثانياً پروسه‌هاي جراحي بايد تنها در شرايط كلينيكي تحت قرارداد مشخص شده شفاف در دسترس مريض انجام شود.

سوم اين كه خطر براي مريض حداقل باشد و نتايج كلينيكي به تكنيكهاي مشخص شده نزديك شود. اگر اين رعايت نشود پيشرفت فناوري نبايد بر امنيت بيمار پيشي گيرد.

دو نوع اصلی روباتیک ها در جراحی

▪ da Vinci Surgical System – a master-slave system

▪ Zeus – a master-slave system

da Vinci® Surgical System

معرفی :

با وجود حدود 2010 وسیله موجود در سراسر آمریکا و اروپا و ژاپن . Intuitive Surgical هنوز سازنده اول در زمینه جراحی دیجیتال با محصول داوینچی خود می باشد.

Surgical System یا سیستم های جراحی در سال 2000 برای انجام تکنیک های پیشرفته جراحی مانند بخیه زدن و شکافتن به کار برده می شد . این سیستم اولین سیستم روباتیک عمل جراحی است که به وسیله موسسه دارو و غذای آمریکا پذیرفته شد و به عنوان اولین حسن بزرگ در مقابل رقبا به شمار می رود.

و در حال حاضر این یک حرفه مولتی میلیونی رو به رشد در دنیا به شمار می رود

نگاه کلی به سیستم :

با ایجاد یک سوراخ و شکاف 1 سانتی متری برای انجام عمل جراحی ، جراح قادر به انجام یک عمل جراحی با این سیستم خواهد بود.

بر طبق گفته Ben Gong نایب رییس بخش مالی Intuitive Surgical ، داوینچی به طور میانگین 2-3 % عفونت های احتمالی را به نزدیک صفر کاهش می دهد .

داوینچی 4 قسمت اصلی دارد : کنسول جراحی ، patient-side cart ، اجزای قابل تفکیک ، سیستم بینایی سه بعدی با وضوح بالا و تجهیزات پردازش تصویر

1. کنسول جراحی :

جراح در این کنسول در فاصله چند متری تخت جراحی قرار می گیرد . جراح صورت خود را روی دستگاه و دستان خود را درون دستگاه قرار می دهد و در این حال تصاویر سه بعدی بزرگ شده از زمینه جراحی به صورت real time و همزمان از ابزار در زمان جراحی مشاهده می کند.

کنترل ابزار جراح را قادر به حرکت در طی یک محدوده مکعبی یک فوتی در فضای کازش می کند

[pic]

patient-side cart .2

جزیی از سیستم که شامل بازوهای روبات می باشد که مستقیما با بیمار در تماس هستند . و شامل 2 یا 3 بازو و یک بازوی آندوسکوپی هستند . بنابراین جراح لازم است که منحصرا به زمینه visual هنگام بخیه زدن و یا شکافتن اعتماد و تکیه کند .

در سال 2003 این شرکت بازوی چهارم را به بازار داد که قیمت آن 175،000 دلار بود که به عنوان بخش جدید برای نصب و ارتقای سیستم موجود به کار می رفت . این بخش جدید فواید و قابلیتهای جدیدی را در زمینه اداره کردن و دستکاری کردن ابزار دیگر برای رویه های پیچیده فراهم می کند و نیاز به یک پرستار اتاق عمل را مرتفع می کند.

[pic]

2. ابزار جدایی پذیر

این ابزار به بازوهای روبات اجازه می دهند در مسیرهایی که حرکات خوب انسان را شبیه سازی می کند حرکت کند و مانور دهد . هر کدام از این ابزار کاربرد خاص خود را در بخیه زدن دارند و سریعا از یکی به دیگری در حرکات سریع بازوهای روبات سوییچ می شوند .

دستگاه وضعیت روبات را قبل از اینکه جایگزین شود به خاطر می سپارد بنابراین دومی می تواند دقیقا به همان وضعیت اولیه خود reset شود . این ابزار قابلیت این را دارند که چرخش کامل و دایره وار را داشته باشند و این مساله مزایای زیادی را در مقابل روبات های فاقد بازو ایجاد می کند

7 درجه آزادی ( به معنای تعداد حرکات مستقلی است که روبات می تواند انجام دهد ) انتخاب های قابل ملاحظه ای زا در چرخش و حرکت ایجاد می کند . بعلاوه جراح قادر به کنترل مقداری از نیروی اعمال شده ای که متفاوت از کسری از یک انس تا چند پوند می باشد

تکنولوژی The Intuitive همچنین توانایی فیلتر کردن لرزش دست را دارد .در نتیجه حرکات وسیع جراح می تواند به حرکات کوچکتر روبات تبدیل شود . دی اکسید کربن معمولا به منظور ایجاد فضای بیشتر جهت مانور بازوهای روبات درون بدن ، پمپاژ می شود

The Navigator Control جراح را قادر به سوییچینگ سریع زوایا با استفاده از یک پدال ساده پا می کند

[pic]

3. سیستم بینایی سه بعدی

دوربین یا بازوی آندوسکوپی تصاویر وسیع پیشرفته 3 بعدی را فراهم می کند . این بزرگنمایی با وضوح بالا و به صورت real time درون بدن بیمار را نشان می دهد و مزایای قابل ملاحظه ای را در جراحی های عادی در بر دارد . این سیستم بالای صدها فریم از وضعیت ابزار در هر ثانیه در اختیار می گذارد و هر تصویر در یک پردازشگر ویدیویی فیلتر می شود تا صدای پس زمینه از بین برود.

آندوسکوپ به صورت خودکار جهت تنظیم دمای سر آندوسکوپ برنامه ریزی می شود تا از غبار گرفتگی در حین عمل جلو گیری کند

[pic]

رقبا :

تنها چند سال پیش ، Intuitive Surgical در نیمه راه جدالی عظیم با رقیب خود یعنی Computer Motion بود . یک سری حوادث در دادخواهی و جدال توسط Computer Motion باعث سد تا Intuitive Surgical با همکاری IBM این رقیب را به خاطر تخلفاتش در تکنولوژی تشخیص صدا سو کنند.

Computer Motion کیس را به خاطر این وسیله جانبی موجود در همه دستگاههایش مثل Zeus باخت . Zeus ورژنی از داوینچی است . این شرکت با مشکل بزرگی روبرو شد ازوقتی که نمی توانست لیسانس مناسب و لازم را از شرکت رقیبش بگیرد و فروشش را متوقف کرد.

در 7 مارچ سال 2003 Intuitive Surgical با رقیب اصلی اش ادغام شد

در حالی که در پایان 4 سال کشمکش قانونی قدرت از سرمایه ها و توسعه مقدار زیادی از دست داده بود . Intuitive Surgical 150 میلیون دلار بابت Computer Motion پرداخت و 90 درصد کارکنان در این ادغام کنار گذاشته شدند .

Intuitive درحال حاضر مالک و فروشنده محصولات Motion Computer یعنی

(Zeus Surgical System, Hermes Control Center, Aesop Robotic Endoscope Positioner, and Socrates Telecollaboration System

اطلاعات ارقامی در مورد بازار سیستم های جراحی روبات

|Equipment |Costs |Company |Equipment Descriptions |

|da Vinci Surgical System |$1 million |Intuitive Surgical |Robot-assistant, with arms to connect surgical |

| | | |instruments |

|Zeus Robot Surgical System |$975,000 |Computer Motion* |Robot-assistant, with arms to connect surgical |

| | | |instruments |

|Aesop 3000 |$80,000 |Computer Motion* |Voice-controlled endoscope-positioning robot |

|Hermes Control Center |Request price quota |Computer Motion* |Centralized system used to network an intelligent OR |

|Socrates Robotic Telecollaboration System |Request price quota |Computer Motion* |Allows shared control of Aesop 3000 from different |

| | | |locations |

\

kkمزایا و مضرات :

سیستم جراحی داوینجی زمان بستری در بیمارستان را به نصف کاهش می دهد ، حدود 33 درصد در هزینه های بیمارستانی صرفه جویی می شود . این روزها مراقبات شدید هر قسمت باعث کاهش درد در بیمار و بهبودی سریع تر شده است

با وجود اینکه اندازه دستگاه آنقدر کوچک نیست که برای عملیات قلبی در کودکان مناسب باشد ولی یک داوینچی معمول شکاف های جراحی ها را باقی نمی گذارد و هنوز محدودیت هایی در مورد کودکان وجود دارد . بعلاوه طبق نظر Intuitive Surgical تنها 80,000 تا از 230,000 کیس های جدید سرطان پروستات به خاطر ریسک این گونه جراحی متحمل جراحی می شوند . مضرات اساسی این تکنولوژی منحنی تند یادگیری و قیمت بالای این دستگاه می باشد . با وجود اینIntuitive Surgical برنامه تمرینی را فراهم می کند . یکی از مهمترین چالشهای پیش روی جراحانی که با این دستگاه تمرین می کنند کاهش تماس و حس کردن بیمار می باشد

patient-side cart کمک جراح را در دسترسی داشتن به بیمار محدود می کند .بنابراین همین طور خیلی از افراد به خاطر قیمت تند آن قادر به دسترسی به آن نیستند . در برگی که توسط The American Journal of Surgery منتشر شد حدود 75 درصد جراحان ادعا کردند که آنها در برابر سیستم های با قیمت 500,000 دلار به بالا احساس محدودیت مالی می کنند . در حال حاضر جراحی با داوینجی 40-50 دقیقه طولانی تر است ولی FDA یادگیری آن را مورد بوجه قرار داده و انتظار دارد که زمانی برای افزایش استفاده بیشتر از این سیستم اختصاص یابد

• da Vinci Robotic Prostatectomy Benefits:

Shorter hospital stay - A majority of robotic prostatectomy patients are discharged the same day, or 1-day after the procedure.

Less pain, less risk of infection - Robotic visualization and precision enable the surgeon to perform complex prostatectomy procedures meticulously with small incisions.

Less blood loss and transfusions - Nerves and vessels are magnified 10-15 times giving the surgeon more accuracy while reducing the risks of excessive blood loss.

Less scarring - Robotic prostatectomy patients have reduced post operative scarring, as surgical incisions are much smaller compared to open prostatectomy.

Faster recovery and quicker return to normal activities - Robotic prostatectomy patients have faster recovery compared to open prostatectomy because nerves and vessels responsible for bladder and sexual functions are spared.

Minimally invasive - Robotic prostatectomy is a recent and proven advancement in minimally invasive surgical procedures. The da vinci robotic system has been used in tens of thousands

برآورد سرمایه اولیه و هزینه انجام هر عمل دریچه قلب توسط داوینچی در بازار

|Maintenance/year Physician Training |$1 million $100,000 $250,000 |

|Cost of one inpatient hospital day |$2,000 |

|Reduced inpatient hospital days for heart procedures |4.5 days |

|Cost saving per heart procedure due to reduced hospital stay |$9,000 per heart valve |

|Extra procedure cost |$2000 more per operation |

|Surgical assistance |$175,000 for fourth arm (Compared to $80,610 per year for extra |

| |OR nurse) |

[pic]

هزینه ها

با وجود اینکه Intuitive Surgical متحمل عقب نشینی در دعوی قانونی با Computer Motion شد سریعا آن را پوشش دادند وبه ان رشد بی نظیری بعد از ادغام شدن رسیدند . مجموع فروش سال 2004 این شرکت 138.8 میلیون دلار بود ( که 51 درصد نسبت به سال گذشته رشد داشته ) که 60 میلیون دلار آن سود بوده . این رقم شامل سرویس ها و عرضه تجهیزات و ... بوده که جهت پاسخگویی به تعداد زیادی از سیستم های نصب شده و مورد استفاده در بیمارستانها افزایش داشته . تنها در سال 2004 ، 76 سیستم داوینچی که هر کدام ارزشی در حدود 1.5 میلیون دلار داشتند به فروش رفته است .

باز پرداخت

بازپرداخت پزشکی شرکتهای بیمه جهت لاپاداسکوپی و... از زمانی که داوینچی مورد تایید FDA جهت توزیع دز آمریکا قرار گرفت در دسترس هستند

FDA Approval:



|Date |Procedure |

|April 26, 2005 |Gynecological Laparoscopic Procedures |

|January 30, 2003 |Totally Endoscopic Atrial Septal Defect (ASD) |

|November 13, 2002 |Mitral valve repair surgery |

|November 12, 2002 |Thoracoscopically-Assisted Cardiotomy Procedures, K022574 |

|July 11, 2000 |General Laparoscopic Surgery (gallbladder, gastroesophageal reflux and gynecologic surgery), K990144 |

|March 5, 2001 |Thoracoscopic Surgery (IMA Harvesting for Coronary Artery Bypass and Lung surgery), K002489 |

|May 30, 2001 |Laparoscopic Radical Prostatectomy, K011002 |

|July 31, 1997 |Surgical Assistance, K965001 |

مکانیزم امنیتی

نگرانیهای امنیتی در مدکز توجهات Intuitive Surgical قرار داشته است . برای شروع کار سر جراح باید در قسمت مورد نظر قرار گیرد . وگر نه سیستم قفل می شود و بدون حرکت باقی می ماند تا زمانی که بار دیگر سر جراح را در محل مورد نظر شناسایی کند . در طی این رویه حرکت نقطه صفر سیستم از حرکت چرخشی بازوهای روبات حول یا درون برش 1 اینچی جلوگیری می کند .

منبع نیرو شامل یک باطری پشتیبان هم هست که اجازه می دهد تا سیستم برای 20 دقیقه کار کند و به بیمارستان زمان کافی می دهد تا برق را راه اندازد .

هر یک از ابزار شامل یک چیپ ستی هستند که از استفاده ابزار دیگری جلوگیری می کند. این چیپ ست ها همچنین اطلاعات مربوط به هر یک ار ابزار را به منظور کنترل دقیق تر درخود ذخیره دارند و استفاده از هر یک از ابزار را پی گیری می کنند تا تعیین شود که کی باید تعویض گردند.

چشم انداز آینده

در کنار قیمت ، داوینچی هنوز موانع و مشکلاتی دارد که باید قبل از اینکه به صورت کامل در سیستم مراقبت بهداشتی کنونی استفاده شود رفع شوند . از فقدان در تماس بودن و لمس کردن بیمار تا اندازه بزرگ آنها ، داوینچی کنونی تنها یک دید حدسی از آنچه می خواهد پیش آید ارایه می دهد . صرف کردن مبلغی در حدود 16.2 میلیون دلار تنها در سال 2003 ، Intuitive Surgical در اولین حرکت مزایای زیادی زا در غلبه بر رقبا کسب کرد و به پیشتازی خود در دریافت FDA ادامه دهد . اصلاحات بیشتر در اندازه ، حس لامسه ، قیمت و جراحی از راه دور ویژگی هایی هستند که در آینده انتظار می روند

• video-clip

Recording by students in Brown Medical School



2- Institute of Robotics and Mechatronics :

دستگاه ساخته شده توسط این موسسه متشكل از یك teleoperator و یك كنسولoperator می باشد. تله اپراتور از دو روبات Aesop ساخت ( Computer Motion Inc.) تشكیل شده است. یكی از روباتها یك وسیله جراحی را حمل می كند كه مجهز به یك سنسور مینیاتوری نیرو/گشتاور می باشد و دیگری می تواند لاپاروسكوپ را انجام دهد. در كنسول اپراتور ، ویدیو استریو و نیروی اندازه گیری شده هر دو نشان داده می شوند. پس كاربر نه تنها می بیند، بلكه انچه انجام می شود را حس نیز می كند. یك فانتوم ساخت ( Sensible Technologies Inc) به عنوان نمایشگر نیرو استفاده می شود و اگر هیچ وسیله ورودی لامسه ای موجود نباشد اطلاعات نیرو می تواند به صورت دیداری نمایش داده شود.

[pic]

3- UCB/UCSF laparoscopic telesurgical workstation:

در این مدل manipulator پیرو(slave) از دو قسمت تشكیل شده است( شكل 14) قسمت اول وظیفه تعیین محل كلی را برعهده دارد و خارج از بدن قرار می گیرد و برای تعیین موقعیت میلی روبات به كار می رود.میلی روبات قسمت دوم manipulators است قسمت اول 4 در جه ازادی دارد.و از انجا كه خارج بدن قرار دارد هیچ كونه محدودیت سایزی ندارد.سه مفصل خطی كه به پایه و بدنه روبات متصل هستند موقعیت یك انتهای یك اتصال 4 میله ای را كنترل می كنند.میلی روبات به انتهای دیگر این اتصال 4 قطعه ای وصل است.هر 4 actuators كه در مرحله تعیین موقعیت كلی نقش دارند سرووموتور DC هستند.میلی روبات داخل بدن بیمار قرار می گیرد باید كوچك باشد و در عین حال بتواند ازادی حركت داشته باشد و نیروی قابل توجهی را اعمال كند. 2 در جه ازادی دارد و یك Gripper در سر ان وجود دارد. قطر ان 15 mm است.و طول ان از مج تا Gripper، 5 cm است.

[pic]

نحوه استفاده از سیستم در اتاق عمل نشان داده شده است. دو بازوی روباتیكی دو طرف تخت جراحی روبروی هم قرار می گیرند و سمت راست یك تصویر از میلی روبات كه در حال گره زدن است را نشان می دهد.

[pic]

Master workstation از یك جفت واسطه لامسه ای 6 درجه ازادی تشكیل شده است كه هر یك ییكی از بازوهای رباتیكی را كنترل می كنند.واسطه های لامسه ای تجاری

(Phantom v1.5, Sensible Technologies Inc., Cambridge, MA) به نحوی طراحی شده اند كه از نظر سینماتیكی مشابه ساختار بازوهای روباتیكی باشند.

[pic]

كاربردهاي ديگر

- نيروهاي مسلح توجه خاصي به جراحي دوربرد از زمان تركيب Telerobotics، Teleoperation، Telepresence كه جان مجروحان جنگي را در صحنه‌هاي عمل جراحي متحرك نشان داده‌اند، مبذول داشته‌اند.

- محدوديتهاي جغرافيايي ديگر تعيين كننده نوع معالجه بيمار به خاطر عدم مهارت جراح نيست. عملهاي اورژانسي در بيمارستانهاي محلي كوچك گاهي اوقات براي جراحان جوان گوش به زنگ مشكل ساز است. دسترسي يك شبكه كه بيمارستان را به يك مركز اصلي وصل كند به جراحان ماهر اجازه ياري رساندن براي انجام پروسه توسط خودشان را ميدهد. در دسترس بودن جراحان جوان در مناطق دور در جايي كه ماموريتهاي نظامي و يا علمي در حال انجام است يا در جزيره‌هاي دورافتاده به خصوص موقع انجام عمليات اورژانس بسيار ياري كننده خواهد بود..

كاربرد جراحي دوربرد دراورولوژي

گروه تحقيق politecnico در ميلان ايتالبا بيوپسي (تكه برداري) پروستات را به عنوان يك پروسه جراحي از راه دور با استفاده از يك خط ISDN واحد مورد بررسي قرار داده است. سايت كنترل از راه دور 5 كيلومتري اتاق عمل بود.

در 17 ژوئن 1998 اولين پروسه دستيابي زيرپوستي كليوي از راه دور به كمك ربات با فاصله 4500 مايل بين بالتيمور و رم انجام شد . اين ربات جديد جراحي از راه دور، در بدست آوردن دستيابي زيرپوستي در مدت 20 دقيقه با دو تلاش براي بدست آوري entry مدخل در سيستم جمع آوري موفق بود.

باپيشرفت در ارتباطات دور برد و فن آوري كامپيوتر ،اكنون كاربردهاي جراحي دوربرد در ارولوژي ارزيابي مي شود.با به نمايش گذاشته شدن استفاده يك بازوي رباتيك براي پروسه هاي لاپاروسكوپي،اكنون كاربرد آن در جراحي رباتيك دوربرد براي اهداف كنترل دوربرد بررسي ميشود. سيستم جاري ارتباط دوسويه سمعي و ويديويي telestration ، فعال ساز داغگر الكتريكي از راه دور،انتقال تصويرx-ray و كنترل از راه دور ربات Aesop را با هم در مي آميزد./يكپارچه ميكند) با بكارگيري اين سيستم يك جراح لاپاروسكوپي ماهر در يك محل دور مي تواند بازوي رباتيك را به محل لاپاروسكوپ teleoperated كند،داغگر الكتريكي را براي متوقف كردن خونريزي رگهاي خوني فعال كندو جراح ابتدايي را از طريق يك پروسه هدايت كند/آموزش دهد.

مزيت موتور اصلي چنين سيستمي به عنوان يك دستگاه آموزشي، انتقال تجربه يك جراح well-versed در پروسه ئmentor به يك جراح دوم(دانشجو)در يك محل دور خواهد بود.اولين نسل اين سيستم جراحي از راه دور در همان محل بيمارستان انجام شد.نسل دوم محل دور رابه انستيتوي ديگري با فاصله 5/3 مايل برد ويك خط تلفن با پهناي بالا براي ارتباط بكاربرده شد(45/1 وT1 ،17 بار سريعتر از يك خط تلفن معمولي و Mbps).

پروسه هاي لاپاروسكوپي پيچيده مانند بزرگتر شدن مثانه ، كليه برداري ناقص با استفاده از اين سيستم انجام شده اند.در تمام موارد پروسه ها بدون عوارض حين عمل وبعد از عمل جراحي انجام شدند.نسل سوم به حراحي از راه دور لاپاروسكوپي در يك گستره بين المللي پرداخت. موفقيت اوليه با جراحي از راه دور بين المللي به انجام پروسه در بانكوك ، اينسبروك در اتريش، رم و سنگاپور انجاميد. اخيرا 6پروسه از راه دور ميان ايالات متحده و سنگاپور براي تشان دادن امكان Telementoring بين المللي و پروسه هاي teirrobotic انجام شد. كنترل دوربرد به عنوان يك ابزار آموزشي قادر بود از ايالات متحده تا سنگاپور و از سنگاپور تا ايالات متجده اجراشود.پروسه هاي اساسي مانند VARICOCELECTONY و يك پروسه پيچيده ( يك NEPHROCTOMY لاپاروسكوپي انجام شد.

محدوديت

اولين عمل جراحي دوربرد دنيا نشانگر عملي بودن و امنيت انجام يك عمل جراحي كامل از راه دور است. مشكلات يا عوارض به خصوصي ناشي از كاربرد انتقال دوربرد پروسه جراحي وجود نداشت. جراحان پروسه را امن و حركات رباتيك را روان و به طور مناسب جوابگوي دستكاري‌هاي خود ديدند. اين نتايج استفاده پهناي بالاي موجود، خطوط ارتباطات دوربرد مخصوص براي انجام اعمال جراحي بين قاره‌اي روي انسان با امنيت و كارايي كافي را حمايت مي‌كند. اما امكان تكنيكي و امنيت كلينيكي تنها موضوعات قابل حل براي اجازه ورود اجراي پروسه‌هاي جراحي دوربرد به اعمال كلينيكي عادي نيست. كاربرد جراحي دوربرد بستگي به يك تعادل ميان منافع واقعي و محدوديتها دارد.

محدوديت هاي جراحي دوربرد عبارتند از :

محدوديت تكنيكي

اولين محدوديت اين است که گرچه ستون اصلی(محکمترين ستون) فيبرهای ATM زمينی با سرعت بالا در بيشتر از 2000 کشور در سراسر دنيا موجود است، در حال حاضر بيشتر بيمارستان ها به فناوری ATM مجهز نيستند.

مسئله موضوع تکنيکی اعمال جراحی روی کشتی در اقيانوس و يا ايستگاههای فضائی هنوز بدون جواب است. زيرا آنها فقط از طريق انتقال ماهواره قابل دسترس هستند که اين انتقال در حال حاضر يک تاخير ناهماهنگ با اعمال جراحی بی خطر و مطمئن دارد. ماهواره های پائين مدار زمين ممکن است بر اين محدوديت تکنيکی فائق آيند.

مهمترين محدوديت اطمينان(يا کيفيت سرويس) خطوط ارتباط دوربرد و موضوع تاخير است.(مدت تاخير از زمانی که حرکت دست ،توسط جراح شروع می شود تا اين که دستگاه دست ورزی از راه دور(دستکاری از راه دور) عملا حرکت کند و تصوير روی مونيتور جراح ديده شود)بنا به عامل تاخير محققان بر اين باور بودند که مسافت شدنی برای جراحی دوربرد بيشتر از چند صد مايل در ارتباطات دوربرد زمينی، سيستم های ماهواره ای همزمان زمينی که تاخيری در حدود 5/1 ثانيه دارند، نيست. و اين سيستم ها برای انجام عمل جراحی از راه دور نامناسب بودند اين تحقيقات نشان می دهد که تقريبا 300 دقيقه حداکثر زمان تاخير هماهنگ با اجرای امن عمل های جراحي است و يك تاخير زماني ناچيز 155 دقيقه‌اي در مسافتهاي فرااقيانوسي موقع به كار بردن فيبرهاي مخصوص ATM برآورد شد.

محدوديت اقتصادی

هزينه اعمال جراحی دوربرد ممکن است يک موضوع منطقی باشد. هزينه ماشين های رباتيک تقريبا يک ميليون دلار است. هزينه های مهم ديگر اين عمل، کاربرد خطوط ارتباطات دوربرد و نيروهای انسانی است که شامل چند متخصص از قبيل جراحان، دانشمندان کامپيوتر و مهندسان است. تقريبا هزينه دسترسی به خطوط ATM يک ساله محل به محل بين100000 و200000 دلار نوسان دارد. اگر جراحی دوربرد تنها به عنوان گسترش اعمال جراحی موجود ارزيابی شود، مطمئنا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نيست. در صورت دستيابی به اهداف جراحی دوربرد که عبارت است از دسترسی بيشتر به مراقبت بهداشتی و بهبود آموزش و کارايی با نتايج بالا،ممکن است برای سيستم های مراقبت بهداشتی کمتر تمام شود و انتظار می رود هزينه فناوری ها با مرور زمان پائين آيد.

محدوديت اجتماعی

کاربرد عمل جراحی از راه دور چالش های جديدی برای جامعه جراحان در ارتباط با موضوعات medico legal به همراه آورده است که يک تلاش مشترک بين تيم های مختلف را می طلبد. بنابراين موضوعات اخلاقی و قانونی پزشکی و نه پيشرفت خود فناوری ممکن است عامل محدود کننده در پذيرش اين پيشرفت های فناوری باشد.

عدم تماس حضوری بين بيمار و جراح جنبه مهم ديگر جراحی دوربرد است که ممکن است يک مسئله در تخلفات پزشکی باشد. زيرا جراحی دوربرد با بيشتر از يک ايالت يا کشور سر و کار دارد و اختلافات قضائی ممکن است پيش آيد. موضوع قانونی ديگر اين است که آيا جراح بايد برای اشتباهات مربوط به تاخيرها در انتقال يا خرابی دستگاه پاسخگو باشد و يا يک رضايت ويژه بايد حاصل شود و چه کسی مسئول آن است. انجمن Tele medical بايد يک کميته بين المللی ويژه برای ملاحظه اين موضوعات قانونی در نظر گيرد تا قوانين بين المللی معتبر و شفاف برای نظارت عمل جراحی دوربرد فراهم آورد.

جراحي دوربرد يك فناوري شايع نيست. موضوعات زيادي قبل از پذيرش آن در مقياس وسيعتر بايد مورد بررسي قرار گيرد. براي مثال پروتكلهاي جهاني تجهيزات بايد براي انجام چنين پروسه هايي عليرغم مشكلات ارتباطي(مانند اختلافات زبانشناسي) صورت گيرد. هنوز نياز به يك متخصص بيهوشي و جراح احتياطي در صورت قطع ارتباطات و درست كار نكردن ربات است.

اما بر خلاف اين موانع وانگ معتقد است كه جراحي دوربرد يك عمل معمول خواهد شد. اكنون 28 % عملهاي جراحي با لاپاروسكوپي انجام مي‌شود و اين تعداد در حال افزايش است و پروسه‌هاي جراحي بيشتري اين رويكرد را پذيرفته‌اند. در نتيجه رشد زيادي در زمينه جراحي دوربرد انتظار مي‌رود.

Haptics

مشكل عدم بازخورد لمسي براي كاربر، يك مشكل حل نشده سيستمهاي رباتيك است. تحقيقات برآنند كه اين مشكل را با گذاشتن بازخورد در اختيار پزشك به صورت نشان دادن مقدار نيروي بكاربرده شده توسط ربات برطرف كنند.

اين امر ادغام سنسورهاي لمسي را با وسايل بكاربرده شده توسط رباتهاي جراحي و نيزارائه متدهايي براي نمايش اطلاعات لمسي به اپراتور انساني را مي طلبدكه به دنبال آن شماري از فرصتهاي علمي وكلينيكي ايجاد مي‌شود. چنين بازخوردي مي تواند حس telepresence جراح را بهبود بخشد و منجر به اجراي بهتر عمل شود. دستكاري كننده اصلي از راه دور همچنين مي‌تواند بازخوردي لمسي را براي ارائه به دستيارهاي با هوش بكار برد. اين دستيارها virtual fixture هايي توليد مي‌كنند كه وظايف مختلف دستكاري انجام شده جراح را حمايت مي‌كنند.

به چند روش، داده لمسي ميتواند نمايش داده شود:

بصري،سمعي،لمسي و چند گزينه ديگر .

از نظر علمي يك ربات با كنترل لمسي يا توافقيadaptive مي‌تواند گروه‌هاي داده in vivo براي مدلسازي خواص بافت ارائه دهد. توجه رو به رشدي در مطالعه بافت براي برنامه‌ريزي جراحي، تشخيص و آموزش وجو دارد اما تا به حال يافتن داده واقعي مشكل بوده است.

تشخيص ميانhaptic و force feedback و tactile مهم است:

Haptics يك اصطلاح جامع است كه براي توصيف اطلاعات پوستي (tactile و حركتي (force) بكار مي‌رود. هردو براي تشكيل ايجاد احساسات عادي حس شده با دست انسان ضروري است. بازخورد زماني است كه نيروها به يك نقطه واحد تبديل مي‌شوند و به كاربر از طريق يك ابزار نمايش داده مي‌شود. يك دستگاه هپتيك مانند فانتوم(phantom) كه از فناوري‌هاي حسي است، مي‌تواند اين نوع بازخورد را ارائه دهد. دستگاههاي نمايشي حسي از نظر تجاري در دسترس نيستند و از عهده برطرف كردن محدوديتهاي فشار، اندازه و وزن براي سيستمهايي كه درجه آزادي زيادي دارند، بر نمي‌آيند.

نقش بازخورد لمسي در جراحي با كمك ربات

مشكل اصلي بر سر راه جراحان قلب ماهر در انجام دستكاري هاي بخيه هاي ظريف با سيستم جراحي به كمك ربات، شكستن بيش از حد نخ بخيه به خصوص هنگام گره زدن است. اولين هدف محققان اين است كه آيا عدم بازخورد لمسي نقشي در اين مشكل دارد يا نه. بنابراين در مرحله اول در پي تشخيص نيروهايي هستند كه براي درجه‌هاي مختلف جنس نخ بخيه به كار ميرود.

[pic]

شكل5. در پي تشخيص نيروهايي هستند كه براي درجه‌هاي مختلف جنس نخ بخيه به كار ميرود. (a) توسط دست، (b) توسط دستگاه، (c)توسط ربات داوينچي

امروزه محققان برآنند متدهايي براي ايجاد بازخورد در جهت پيشرفت اجراي جراح ارائه دهند.گرچه تحقيقات نشان مي دهد تعداد متعددي از روشهاي حسي و كنترل كه بازخورد لمسي را ممكن مي سازد وجود دارد اما تعدادي هم ملاحظات عملي وجود دارد مانند هزينه ، پيچيدگي و سازگاري زيستي كه چالش هاي مهمي به شمار مي روند.

توانايي سيستم عمل جراحي به كمك ربات از راه دور براي اندازه گيري و نمايش اطلاعات لمسي منجر به فرصتهاي علمي و كلينيكي جالب شده است، مانند كمك اپراتور فعال از طريقfixtual fixture و فراگيري اتوماتيك ويژگيهاي بافت..

با روي آوردن به پروسه هاي عمل جراحي بر روي قلب تپنده با روش تهاجمي حداقل، كارهاي پيچيده و مدلهاي بافتي به ايجاد سيستمهايي كمك خواهد كرد كه يك محيط فعال را وادار كند به يك محيط بي حركت از نظر لمسي و بصري تبديل شود. برآوردهاي خواص بافتي بدست آمده توسط قوانين كنترل adaptive مي تواند براي طراح شبيه سازي هاي جراحي واقعي تر به كاررود.

هم اكنون اين سيستمها جانشين بافت هاي فانتومهاي غير واقعي و بافتهاي cadaver مي شودوچالشهاي اخلاقي كار برد مدلهاي حيواني را بر طرف مي سازد. در اين محيط ها ربات ميتواند به طور عيني از طريق محاسبه نيروهاي بكار برده شده و نتايج كاربرد virtual fixture بشود.

متدهاي كنترل دستكاري در بازخورد لمسي

معمولترين روش براي كنترل دوجانبه ،كنترل امپدانس است كه به وسيله آن نيروهاي امپدانس مجازي براي وصل master و ربات از راه دور به كار مي‌رود تا همديگر را رديابي كنند. سختي وتضعيف اين نيروي امپدانس و علم ديناميك، سيستم تأخيرات زماني، فواصل نمونه برداري و دقت اندازه گيري موقعيت ثبات يك چنين سيستمي را مشخص مي‌كند.

تاثيرات محدوديت هاي مختلف كنترل

اگر كنترل امپدانس موجب رديابي ربات از راه دور و master توسط يكديگر ‌شود، در اين حالت كه كنترل تغيير موقعيت ناميده مي‌شود، اپراتور بازخورد لمسي دريافت خواهد كردو حسگرهاي نيرو لازم نيست ، اما امپدانس مكانيكي ربات از راه دور به اپراتور منتقل خواهد شد و ممكن است هر نيروي حساس ايجادشده از تأثير متقابل با محيط پنهان شود.براي رباتيكس هاي جراحي، ديوار بدنه و نيروهاي اصطكاك در نيشتر جراحي (trocar) به جراح نشان داده خواهد شد. گرچه اين نيروهابراي نشان دادن مورد توجه نيستند.

اگر ربات از راه دور master را دنبال كند ،اما حسگرهاي نيرو در ربات از راه دور براي مشخص كردن نيروهاي نمايش داده شده براي اپراتور به كار روند، اين حالت كنترل بازخورد جلو يا كنترل نيروي موقعيت ناميده مي‌شود. اين رويكرد نيز مشكل دارد بخاطر تعداد زياد DOF (درجه آزادي)كه براي حس كردن نيرو، براي دستكاري مورد نياز است. (حداقل 6 DOF براي موقعيت و مبدأ + يك DOF اضافي براي محكم گرفتن)

متد عملي براي باز خورد لمسي

ايده جايگزيني بازخورد لمسي مستقيم با علامتهاي بصري و سمعي

اين ايده موضوعات ثبات(تعادل) را برطرف مي‌كند و با حس نيروي خيلي محدود ميتواند به كار رود. تحقيقات نشان داد ه است كه جايگزيني بازخورد احساسي، توانايي يك اپراتور براي حس محيط و كنترل ربات در كاربردهاي غير پزشكي را افزايش نمي‌دهد. قابل ذكر است كه اكثر تحقيقات انجام گرفته برروي جايگزيني حسي بر اندازه نيروي توليد شده به وسيله كاربر متمركز نيستند بلكه بر اجرا بر حسب زمان اتمام اهتمام داشته‌اند.

محققان براي آزمايش اين موضوع اول كشش به كاربرده شده براي بخيه ها، در زمان اولين پرتاب يك گره بخيه جراحي به وسيله ابزار راست و چپ داوينچي كه يك دستگاه اندازه گيري كشش را به كار مي‌برد، اندازه گيري مي‌ كنند. چهار گروه از موقعيت ها مطالعه شد. آنها فقط در روش هاي بازخورد كه روي سيستم داوينچي و يك كامپيوتر اضافي پردازشگر داده اجرا مي شد ،تفاوت داشتند.

سناريوي اول، با بازخورد سر و كار نداشت.

سناريوي دوم شامل يك روش بازخورد سمعي بود كه يك صداي واحد را زماني كه ميزان كشش به كار رفته به حد كشش ايده‌آل مي‌رسيد، ارائه مي‌داد.

كشش ايده‌آل ،ميانگين كششهايي است كه در حين گره‌هاي دستي انجام شده به وسيله يك سري از رزيدنتهاي جراحي قلب انجام مي‌شود.

سناريوي سوم، يك روش بازخورد بصري بود كه يك نمايش گرافيكي از اندازه هاي نيرو ارائه مي داد. دو باريكه(bar )رنگي بلندي و سايه آنها را بنا به كشش اندازه‌گيري شده مربوطه اندازه‌گيري مي‌كرد.

سناريوي چهارم، هر دو بازخورد سمعي و بصري را تركيب مي‌كرد. در اين حالت بازخوردهاي سمعي و بصري همزمان براي كاربر ارائه مي‌شد. 5 جراح گره‌هاي رباتيك و دستي را انجام مي‌دادند. هر جراح 9 ساعت تجربه كار با ربات (بستن بخيه ها روي فانتوم ها) را داشت. دركل 30 پرتاب براي هر جريان تحت هر سناريوي بازخورد ثبت شد. آزمايشات براي سنجيدن تأثير سناريوهاي مختلف جايگزيني حسي فرضيه هاي زير را ارائه داد.

[pic]

شكل6. مقايسه متدهاي مختلف باز خورد لمسي با داده هاي دستي

-بررسي آزمايشگاهي تأثيرات جايگزيني حسي به عنوان يك روش عملي براي بازخورد لمسي

-فرضيه صحت و درستي،

اين فرضيه پيشنهاد ميكند كه اندازه نيروي به كار رفته با استفاده از هر روش بازخورد نيرو به طور واضح مشابه كشش ايده‌آل بخيه است تا نيروهاي به كاررفته بدون بازخورد.

نتايج مقايسه گره هاي دستي و گره هاي رباتي بدون باز خورد نشان داد كه تنها نيروهاي بدست آمده توسط گره هاي رباتيك با برخي از انواع جايگزيني حسي قابل مقايسه با نيروهاي ايده آل براي هر نوع بخيه است. بنابر اين ،اين فرضيه تاييد مي شود.

-فرضيه دقت

ضريب اختلاف نيروها براي گره هاي انجام شده توسط جايگزيني بازخورد حسي از گره هاي دستي غير قابل تميز دادن هستند.بررسي آماري نشان داد كه اين فرضيه كاملا رضايت بخش نيست.دقت در گره زدن با يك سيستم جراحي به كمك ربات با گنحاندن بازخورد سمعي و بصري ( كه اطلاعات مداوم نيرو را ارائه ميدهد ) و نه تنها بازخورد سمعي وبصري، بهبود مي يابد.

-فرضيه بهبود در دقت

بازخورد انجام موضوعات را در مقايسه با گره هاي رباتيك بدون بازخورد بهبود مي بخشد. تاثير بازخورد سمعي و بازخورد بصري روي پيشرفتها در دقت بررسي شد.در نتيجه معلوم شد كه بازخورد سمعي و بصري دقت اجرا را بهبود مي بخشند، گرچه بازحورد بصري موثرتر است.

مطالعات در دست انجام در زمينه بازخورد لمسي

حال تحقيقات بر روي گسترش استفاده حس نيروي محدود(با دو درجه آزادي) روي دستگاه هاي جراحي از راه دور و يك سيستم پويا ي افزايش دهنده واقعيت augmented-reality است. اين سيستم يك نمايش بصري از نيروها را به جراح در زمان واقعي نشان مي دهد.

[pic]

سيستم هاي مرتبط با با بازخورد لمسي

روبات جراح ZEUS

این سیستم جراحی روباتیک zeus نام دارد که مسیر جراحی ها را در UW Medical Center تغییر داده . این سیستم FDA دریافت کرده است . معمولا جراحها به مدت 2 ماه بر روی تجهیزات کار می کنند و سپس بر روی بیماران و یا داوطلبین لاپراسکوپی انجام می دهند . که این مسیر در آوریل 2003 آغاز شد .

سیستم zeus از یک کنسول کنترل جراحی و 3 میز نصب شده بر روی بازوها تشکیل شده . بازوهای چپ و راست روبات کارهای بازوهای جراح را تکرار می کنند و بازوی سوم یک اندوسکوپ کنترل صدای روباتیک AESOP جهت ویژوال سازی می باشد . جزاح با آسودگی قایم می شیند وبا مونیتور ویدیویی و ابزار عمل را انجام می دهد . سیستم ازهر دوی ابزار میله ای شکل اندوسکوپ مانند اندوسکوپ مرسوم استفاده می کند و ابزار را با مفصلی با هفت درجه آزادی متصل کرده است.

سيستم Virtual fixture

اين سيستم به ربات اجازه ميدهد براي كمك به جراح مقداري آزاد باشد. سيستم virtual fixture براي توصيف مدهاي interaction به كار ميرود در جايي كه حركات و نيروهاي ربات نسخه‌هاي محدودي از حركاتي است كه به وسيله اپراتور درخواست شده است. اين مدهاي كمك، به جراح اجازه ماندن در كنترل پروسه را ميدهد در حاليكه ربات به دقت و امنيت پروسه مي‌افزايد. در سال 2001 كارهاي انجام گرفته با اين سيستم براي جراحي رباتيك يك ديوار مجازي براي كمك در كالبدشكافيهاي كند با سيستم Zeus بوجود آورد. اين virtual fixture زمان اتمام را 27% كاهش داد و نفوذ به نواحي حساس را برطرف كرد اما بازخورد لمسي براي اپراتور فراهم نساخت.

Future works

اولين و مهمترين موضوع در زمينه Haptics ، احساس نيرو است. براي دستكاري از راه دور دو طرفه واقعي، نيروها بايد به درستي و در بسياري از درجات آزادي اندازه گيري شود.آنها بايد ارزان،زيست سازگار و قابل استريليزه كردن باشد.هنوز اين مشكل از نظر رويكرد آزمايشكاهي بررسي شده است و چارچوبي براي بررسي تئوريكال وجود ندارد. عدم پذيرا بودن در سيستم هايي با عدم تقارن حسگر يا تحريك گر actuator مطالعه بيشتري را براي تضمين امنيت براي كاربردهاي كلينيكي مي طلبد.

باز خورد لمسي كامل هر دو اطلاعات نيرو و لامسه را مي طلبد. هر دستكاري از راه دور دو طرفه كامل شبيه مهارتي كه با آن چند كار مي تواند به وسيله دست انجام شود ، بخاطر طبيعت گسترده و وابسته به تكرار حسگرهاي لامسه انسان ، نخواهد بود. تركيب نيرو و بازخورد لمسي و طرح حسگرهاي جديد لمسي يك عرصه مهم براي مطالعات آينده است.

Virtual fixture امكان زيادي براي ارائه كمك سطح پايين به جراح دارد. زماني كه موضوعات كنترل ارائه ميشوند يك دانش ابتدايي ، تصويرهاي پزشكي و ديگر متدهاي حسي لازم هست تا رسم هندسي virtual fixture مناسب را تعيين كند.

بالاخره مدلسازي بافت بر اساس نيروهاي حس شده در طول جراحي مي تواند براي شناسايي ناهنجاري ها و ارائه تشخيص بيماري و ايجاد شبيه سازي هاي واقعي جراحي بكاررود.اين پيشرفت مدلهاي پيچيده بافتي را مي طلبدكه ميتواند با نيرو، موقعيت، و داده تصويري احتمالا در real-time سرو كار داشته باشد.

كار در زمينه دستكاري از دور با بازخورد لمسي بسيار است . اما كار بر روي طراحي كنترل براي كاربردهاي پزشكي كم است، بخصوص در محيط هايي با موقعيت هاي متغير تماس و كندي هايي كه در طول دستكاري بخيه زني روي مي‌دهد.

انواع مختلف قوانين كنترل دستكاري را كه قابليت‌هاي مختلفي براي موقعيت، نيرو و شفافيت محيط امپدانس فراهم مي‌كند، اجرا كرده‌ايم.

پيشنهادات

درجات مختلف فعل و انفعالات بين متخصص و جراح در كنار تخت ممكن است. كمك يك متخصص از اجراي عمل كامل پروسه تا كمك كردن تنها با ارائه ساختارهاي آناتومي براي تسهيل كار جراحان در كنار تخت نوسان دارد. تخمين شده است كه 4400-9800 بيمار ساليانه بنا به اشتباهات در مراقبت بيمارستاني جان خود را از دست مي‌دهند و اينكه 54 % اشتباهات جراحي قابل پيش‌گيري هستند. محققان بر اين باورند كه با قادر ساختن دخالت مستقيم يك متخصص جراحي دوربرد به احتمال زياد اشتباهات انجام شده به علت عدم تجربه يا مربوط به مرحله اول منحني يادگيري پروسه هاي جديد كاهش يابد. در نتيجه اين تأثير بالقوه بر روي آموزش و تعليم جراحي دوربرد، استاندارد مراقبت جراحي در سراسر دنيا بالاخره بهبود يابد.

اجراي دوربرد يك عمل جراحي مي‌طلبد كه يك جراح ماهر با دستگاههاي رباتيك آشنا باشد. مهارت ساده در يك پروسه ويژه يا بيماري ويژه براي ارائه حمايت فعال كافي نخواهد بود. در حال حاضر تعداد جراحاني كه در جراحي رباتيك خبره باشند كافي نيست و تا اين نيروي كار در دسترس نباشد جراحي دوربرد قادر به كاهش اشتباهات و هزينه هاي مربوطه نخواهد بود.

با پيشرفت تكنولوژي، رباتها روزي قادر خاهند بود با كمترين و يا بدون واردكردن داده توسط انسان عمل جراحي را انجام دهند. كارلو پايون يك جراح ايتاليايي يك برنامه نرم‌افزاري تهيه كرده است كه عمل جراحي را بدون دخالت انسان، از طريق داده‌هاي جمع‌آوري‌شده از چندين جراح و هزاران عمل جراحي، انجام مي‌دهد. اين كار، جراحي پيچيده و گران قيمت را در همه جا قابل دسترس مي‌سازد، حتي براي بيماراني كه از نظر سنتي امكانات پزشكي مناسبي ندارند.

فهرست منابع:

-آشنايي با روبات وكاربردهاي آن.تاليف بابك دهقان. انتشارات خليج فارس

-روبوتيك ومكاترونيك وهوش مصنوعي.نوشته نيوتن سي.برگا مترجمين مهندس لاله سيد علي زاده و مهندس بابك اكبر زاده





depts.washington.edu .

http://





❖ bme.uconn.edu/bme/davinci/

❖ biomed.brown.edu/Course/b1108/b1108 2005 Groups/04/davinci.html

❖ electronics.robotic-surgery.html/printable

❖ services/surgical/aboutdavinci.cfm

❖ center-for-robotic-surgery/how-robotic- surgery-works.html

❖

❖ An Overview of Genetic Algorithms: Part 2, Research Topics (1993)  David Beasley, David R. Bull, Ralph R. Martin University Computing

❖

[pic]

-----------------------

جراحی از راه دور یا Telesurgery

و کاربرد انفورماتیک پزشکی در آن

................
................

In order to avoid copyright disputes, this page is only a partial summary.

Google Online Preview   Download