Aplicaciones de la Robotica..indd

Técnica
Electrónica •18
Informática •56
Telecomunicaciones •34
Telemática •63
Aplicaciones De La Robótica
Al Campo De La Medicina
Oscar Andrés Vivas Albán
Departamento de Electrónica, Instrumentación y Control, Universidad del Cauca, Popayán, Colombia
Introducción
Resumen:
Los primeros conceptos de robótica aparecieron a finales
Este artículo muestra una síntesis de dos de
de la década de los 40, con los desarrollos de quien es
los campos más interesantes de la robótica
considerado el padre de esta disciplina: G.C. Devol (Nof,
aplicada a la medicina: la robótica de rehabilitación y la robótica quirúrgica. En la robótica
1985). En 1954 Devol patentó el primer manipulador con
memoria, dando inicio a la era moderna de la robótica.
de rehabilitación se trata con mayor detalle las
En 1961 Engelberger creó Unimation, compañía que inició
prótesis de mano y en la robótica quirúrgica
con la producción comercial de robots para uso industrial
se hace énfasis en los robots utilizados como
(Gibilisco, 1994). Desde entonces la robótica industrial
asistentes en operaciones de laparoscopia. Se
cuenta con un amplio mercado, con más de 880.000 robots
muestran así mismo los proyectos en el área
en funcionamiento en el mundo hasta el año 2004 (Unece,
que se trabajan en el Grupo de Automática
2004). Pero la robótica industrial dio impulso a aplicaciones
Industrial de la Universidad del Cauca.
en otras áreas como la agricultura, la exploración espacial,
la exploración submarina, las aplicaciones militares, las
aplicaciones domésticas y de entretenimiento, y en un campo de mayor impacto social, la robótica médica.
En el campo médico la robótica ha dirigido sus desarrollos a
dos áreas específicas: la asistencia a los pacientes y la asistencia a los médicos. En la primera se tienen igualmente
dos sub-áreas: primero, los dispositivos orientados hacia la
rehabilitación de los pacientes, y como tal son herramientas temporales (robots para terapia física y ocupacional);
segundo, los dispositivos orientados a asistir de manera
permanente a personas discapacitadas o en la tercera edad
(prótesis, electroestimulación, asistentes personales, etc).
Palabras Clave:
Robótica, aplicaciones médicas, control de
robots, prótesis robóticas, robots quirúrgicos.
Marzo 2007
En cuanto a los robots para asistencia a los médicos, se
encuentran los robots diseñados para cirugía, exploración,
diagnóstico y terapia (Krut, 2006).
Como puede verse los campos de aplicación de la robótica en la medicina son
go el desarrollo de una prótesis de
muy amplios y complejos. Por su importancia en la sociedad y sus perspectivas
mano que pueda ser sentida por el
de desarrollo futuro, se expondrán en este ensayo las técnicas de mayor desa-
paciente como parte integrante de su
rrollo en cada una de las dos áreas específicas anteriormente descritas. Esto nos
cuerpo está lejos aún de convertirse
lleva a las prótesis robóticas de miembros superiores y a los robots asistentes en
en una realidad. De hecho las prótesis
cirugía mini-invasiva.
comerciales actuales son incapaces
de proveer suficiente funcionalidad en
Este artículo pretende realizar una recopilación de los últimos avances en
los movimientos de agarre de objetos,
cuanto a las prótesis robóticas y a la robótica quirúrgica La primera temática se
presentándose también la pérdida de
desarrolla en la sección 2, la sección 3 desarrolla la segunda temática. Los pro-
grados de libertad en las soluciones
yectos en estas dos áreas que están siendo trabajados por el Grupo de Automáti-
propuestas.
ca Industrial son detallados en la sección 4. Finalmente la sección 5 presenta las
conclusiones.
Diversas soluciones han sido propuestas con el fin de dar respuesta a los
retos científicos y tecnológicos que el
Protesis Roboticas
problema representa. Entre las más
innovadoras se tienen:
Las prótesis de miembro superior han tenido un gran desarrollo a partir de los
años 60, sin embargo algunos estudios señalan que alrededor del 70% de la
Mano DLR
población afectada en los Estados Unidos utiliza simples ganchos pasivos (Yang,
Mano desarrollada en Alemania para
et al. 2004). Este porcentaje es aún mayor en los países del Tercer Mundo, donde
aplicaciones de teleoperación o para
muchas veces ni siquiera se utiliza prótesis alguna. De otra parte, según el censo
tareas autónomas desarrolladas por
del DANE año 2005 (Dane, 2005), en nuestro país existirían alrededor de 385.000
un robot industrial o de servicios.
personas con discapacidad de miembro superior (aunque el informe no espe-
Consta de cuatro dedos con movi-
cifica en detalle el grado de discapacidad). A diferencia de los citados ganchos
mientos totales que proveen 20 grados
pasivos existen las prótesis activas, las cuales por medio de cuerdas o más
de libertad (Borst, et al., 2003).
sofisticadamente, sensores ubicados en alguna parte del cuerpo del paciente,
permiten mover una mano mecánica con mayor o menor grado de funcionali-
Mano Mano TUAT/Karlsruhe
dad. Un análisis detallado de los últimos avances en el área pueden hallarse en
Mano desarrollada por un laboratorio
(Lunteren, et al. 1983; Shimoga, 1996; Bicchi, 2000; Yang, et al. 2004). Sin embar-
japonés y otro alemán, consta de cinco
/
dedos con un total de 20 grados de libertad. Está accionada
por motores esféricos a ultrasonidos y fue diseñada para
servir de mano al robot humanoide ARMAR (Fukaya, et al.
2000).
2.3 Mano Blackfingers.
Esta mano construida en Italia está constituida por músculos flexibles, las articulaciones están hechas de un material
parecido al nylon y los tendones son cables de hierro recubiertos de teflón. Esta compleja estructura permite 18 grados de libertad (tres por cada dedo y tres para la muñeca) y
tiene un peso muy similar al de la mano humana, aunque
su costo es aún bastante alto (Folgheraiter y Gini, 2000). La
Figura 1 muestra una imagen de esta mano (Politecnico di
1
Milano, 2006).
2.4 Mano robótica con mecanismo extensor
Esta mano desarrollada en Estados Unidos, es similar a la
anterior pero en vez de utilizar músculos flexibles utiliza
bandas elásticas desde el antebrazo para mover cada uno
de los dedos. Su funcionamiento es pues similar a la mano
humana (Wilkinson et al., 2003).
2.5 Mano compuesta de sensores propioceptivos
Mano desarrollada en Italia compuesta por tres dedos y
dos motores, los cuales permiten nueve grados de libertad.
Está compuesta por sensores de posición y de fuerza en los
2
dedos para proveer las complejas funciones de agarre de
una mano natural. Los motores son controlados a partir
de sensores electromiográficos colocados en el brazo del
paciente, lo cual la hace bastante adaptable a los discapacitados de mano (Carrozza et al., 2003).
2.6 Mano Iowa
Esta mano, fruto de un trabajo entre universidades
americanas, españolas y suecas, consta de cuatro dedos
compuestos por resortes los cuales proveen un total de 15
grados de libertad. Su diseño está orientado específicamente a los amputados de mano y un prototipo puede verse en
3
la Figura 2 (Yang, et al. 2004).
Sin embargo las prótesis comerciales distan aún mucho de las propuestas mostradas anteriormente, dada la
complejidad de la tarea y el costo que esto involucra para
el paciente. Uno de los mayores fabricantes de prótesis a
nivel mundial es la empresa alemana Otto Bock (Otto Bock,
2006), una de cuyas prótesis de mano con su respectivo
recubrimiento se muestra en la figura 3.
Figura 1. Mano BlackFingers
Figura 2. La mano Lowa
Figura 3. Prótesis de mano Otto Bock
Electrónica
Robotica Quirurgica
Con el desarrollo de las técnicas de cirugía mini-invasiva en
Se debe entender igualmente que normalmente no es posi-
los años 80, el cirujano ya no tenía la necesidad de intro-
ble programar un robot para realizar autónomamente una
ducir sus manos al interior del cuerpo humano. Con esta
tarea quirúrgica. Los robots deben entonces verse como
técnica, instrumentos quirúrgicos y de visión especializados
una “extensión o ampliación de las capacidades humanas”,
son introducidos en el cuerpo a través de pequeñas incisio-
antes que un reemplazo del operador humano, como co-
nes. Este procedimiento llamado laparoscopia, se traduce
múnmente sucede en la automática industrial. Las Tablas 1
en menores traumas para el paciente y consecuentemente,
y 2 resumen las fortalezas y debilidades de los robots y los
en una recuperación más rápida, así como menores costos
humanos actuando en el campo quirúrgico.
para el sistema de seguridad social. Sin embargo trajo
nuevos retos y dificultades para el cirujano como la pobre
Una idea de cómo los humanos y los robots pueden traba-
realimentación en las sensaciones al tocar los órganos
jar juntos se refiere a las cirugías reparativas de la retina.
internos, la pérdida de la visión en tres dimensiones, la pér-
Este tipo de operación requiere posicionar con precisión un
dida de la articulación de la muñeca y la pobre ergonomía
láser, dentro de un radio de 25 cm del objetivo, para evitar
de los instrumentos utilizados (Diodato y Damiano, 2003).
dañar los vasos que irrigan la retina. Una mano humana
Se puede resumir diciendo que el paciente ha ganado mu-
no puede controlar un instrumento quirúrgico en distan-
cho a expensas del mayor trabajo realizado por el cirujano.
cias menores a 100 cm de su objetivo. Además, a medida
Surgió entonces la idea de utilizar robots de asistencia para
que el cirujano se fatiga, aparece un temblor que necesa-
eliminar estos nuevos impedimentos, añadiéndole además
riamente disminuye la precisión. Finalmente el ojo posee
la mejora en el trabajo a escala a realizar y filtrando el tem-
un movimiento natural de 200 Hz, lo que lo convierte en
blor del operador humano. Inclusive algunos autores han
un objetivo móvil (Satava, 1998). La combinación de estos
sugerido que en la historia de la evolución quirúrgica, la
factores crea una situación operativa que no puede proveer
laparoscopia no es más que una transición tecnológica que
la exactitud requerida, pero que cabe perfectamente dentro
llevaría desde los procedimientos manuales hacia la cirugía
de las capacidades tecnológicas de los robots. Usando la
robotizada (Satava, 1999; Ballantyne y Moll, 2003).
integración del robot con el computador, el movimiento del
ojo puede ser fijado en un sistema de referencia de manera
La robótica quirúrgica ha avanzado rápidamente, desde
que aparezca estacionario, además que el temblor del
que en 1985 se utilizó un simple robot Puma industrial para
médico puede ser filtrado. El resultado es un sistema que
realizar un procedimiento neuroquirúrgico, consistente
puede posicionar el láser con una precisión de 10 cm, es
en la introducción de una guía para realizar una biopsia
decir, diez veces menos que una mano humana sin ayuda
cerebral (Kwoh et al., 1988). Dado que el robot utilizado fue
robótica.
un simple robot industrial el cual no cumplía con las condiciones de seguridad impuestas en un bloque operatorio,
Pero para poder desarrollar plenamente esta promisoria
se empezaron a diseñar los primeros robots con propósitos
tecnología, es vital la comunicación y el mutuo entendi-
puramente quirúrgicos. Los pioneros en esta nuevo campo
miento entre cirujanos, ingenieros, empresarios y admi-
fueron un robot para cirugías de próstata desarrollado en el
nistrativos del área de la salud. Del lado médico esto debe
Reino Unido (Davies et al., 1991), y un robot para neuroci-
empezar con una apertura mental que lleve a la búsqueda
rugía desarrollado en Francia (Benabid et al., 1987). Desde
de soluciones en las nuevas tecnologías.
entonces se han realizado miles de procedimientos quirúr-
Entre los robots quirúrgicos más populares e interesantes
gicos con los más de 200 robots instalados en diferentes
podemos contar (Camarillo et al., 2004):
hospitales del mundo (Krut, 2006), los cuales asisten en
operaciones de cardiología, urología, otorrinolaringología,
neurocirugía, ortopedia, cirugía maxilo facial, radiocirugía,
Aesop.
oftalmología y cirugía abdominal.
Fue el primer robot utilizado en aplicaciones quirúrgicas
comercializado en los Estados Unidos, en el año 1994. El
Los robots poseen gran cantidad de ventajas sobre los
robot Aesop mueve un endoscopio (cámara de video) al
humanos al momento de realizar tareas de manipulación.
interior del cuerpo humano en operaciones de laparoscopia,
Su precisión y repetibilidad les han permitido penetrar fá-
y es controlado por la voz del cirujano (Stoianovici, 2000).
cilmente el sector industrial, conllevando claros beneficios
Esto le permite al médico una mayor libertad de movimien-
económicos. Sin embargo, en cirugía el ambiente de trabajo
tos, centrando su atención en el área deseada a partir de
está lejos de ser tan estructurado como en la industria, pre-
las órdenes vocales dadas al robot. Sin embargo la tarea
sentándose problemas tales como la pérdida de sensación
desarrollada por el robot no involucra una activa manipula-
de realimentación (háptica) y una falta de adaptabilidad.
ción invasiva al interior del cuerpo humano.
NeuroMate.
Tabla 1
Ventajas en el desempeño de cirujanos y robots
Cirujanos
Robots
Versatilidad
Repetibilidad
Juicio debido a la experiencia
Tolerancia a las radiaciones
Coordinación ojo/mano
Estable y preciso
Destreza en una escala milimétrica
Manejo de múltiples tareas al tiempo
Dispone de diversa información cualitativa
Optimizado para ambientes particulares
Su función es determinar la localización de inserción de una guía en
operaciones de neurocirugía, basado
en imágenes pre-operatorias (Varma
et al., 2003). Este robot es el sucesor
de aquel Puma que realizó la primera
operación de este tipo en el año 1985.
Zeus y Da Vinci.
Se trata de dos sistemas teleoperados con características comunes: el
Tabla 2
cirujano está cómodamente sentado
Desntajas en el desempeño de cirujanos y robots
frente a una consola, observando en
una pantalla una imagen tridimen-
Cirujanos
Robots
Temblores
Costoso
Fatiga
Voluminoso
cos esclavos ubicados al interior del
Imprecisión
Incómodo
paciente (Clearly y Nguyen, 2001). El
Variación de desempeño (edad, estado mental,...)
No versátil
robot Zeus consta de seis grados de
No efectivo en escalas submilimétricas
Tecnología aún en sus inicios
libertad (Marescaux y Rubino, 2003)
Incapaz de procesar fácilmente información
Incapaz de procesar información
mientras que el sistema Da Vinci
cuantitativa
cualitativamente
sional del paciente, y manejando dos
instrumentos maestros hápticos que
mueven dos instrumentos quirúrgi-
consta de siete (Guthard y Salisbury,
2000). Es de anotar que las respectivas
compañías fabricantes de estos dos
sistemas se fusionaron en el año 2003
Robodoc.
y el sistema que se sigue comerciali-
En 1992 IBM y otras compañías asociadas desarrollaron este robot para operacio-
zando es el Da Vinci (Curley 2005).
nes de ortopedia (Bauer et al., 1999), consistentes en el alineamiento del fémur y
la prótesis en procedimientos de reemplazo de rodilla. El sistema consta de tres
Para dar una idea de los costos de este
partes: el robot en sí, una estación de planificación de trayectorias y el computa-
tipo de robots, se puede decir que un
dor que guía y controla al robot (Clearly y Nguyen, 2001).
Da Vinci está alrededor de 1.25 millones de dólares, con un costo adicional
Acrobot.
del 10% por año en mantenimiento.
Desarrollado en el Reino Unido para el total reemplazo de la rodilla (Jacopec
Además los instrumentos deben ser
et al., 2001). Se compone de un instrumento de taladrado con motores cuyos
reemplazados cada 10 operaciones,
movimientos están restringidos a un área específica definida por las imágenes
incrementando el costo en 2.000 dóla-
pre-operatorias. Esto permite al cirujano sentir directamente las fuerzas que
res más (Hanley y Talamini, 2004). La
intervienen en la perforación, protegiendo al mismo tiempo otras regiones del
Figura 5 muestra la consola y el bloque
efecto del taladro.
operatorio de trabajo de un robot Da
Vinci (Intuitive Surgical, 2006).
CyberKnife.
Se trata de un robot utilizado para la radiación de una gran variedad de tumores.
Es de anotar también la extraordi-
El procedimiento inicia con la toma de imágenes por medio de un sistema de to-
naria operación de colesistectomía
mografía computarizada, el cual sirve de entrada a un planificador de trayecto-
(extirpación de la vesícula) llevada a
rias que genera las consignas espaciales entregadas al acelerador lineal monta-
cabo en 2001 por el Dr. Marescaux con
do sobre el robot (Nathoo et al., 2003). El robot es completamente autónomo en
un robot Zeus, donde el cirujano se
la fase de radiación, logrando una alta precisión y evitando daños sobre células
hallaba en Nueva York y el paciente
sanas. La Figura 4 muestra este tipo de robot en su bloque operatorio (CiberKnife,
en Estrasburgo, Francia (Marescaux et
2006).
al., 2001). Esta intervención ha abierto
nuevas posibilidades de uso a la robótica quirúrgica y muestra sus grandes
potencialidades hacia el futuro.
Electrónica
Proyectos actuales en el area de la Robotica
Medica.
El Grupo de Automática Industrial de la Universidad del
Cauca ha decidido enfocar la investigación de sus líneas de
Control y Robótica hacia el campo de la robótica médica,
dado el interés social que esto involucra. A este respecto
dos proyectos están actualmente en ejecución:
4.1 Prótesis de mano controlada a partir de señales electromiográficas.
Tres grupos de investigación de la Universidad del Cauca
(Grupo de Automática Industrial, Grupo de Nuevas Tecnologías en Telecomunicaciones y Grupo Movimiento Corporal
Humano), están trabajando con el fin de ofrecer en un futuro próximo una solución funcional y a un costo razonable, a
las personas que han sufrido amputación de mano. La primera fase de este proyecto se ha llamado “Modelado, diseño
y simulación de una mano virtual controlada a partir de
señales electromiográficas”, y pretende diseñar una mano
virtual en el computador que sea movida por un paciente
con amputación de mano a través de sensores electromio4
gráficos colocados en su antebrazo. Este sistema permitirá
al discapacitado entrenar sus terminaciones nerviosas y
servirá de evaluación para una futura implantación de una
prótesis real.
Las diferentes tareas de esta primera fase son:
Especificación de los patrones funcionales de la mano (Grupo Movimiento Corporal Humano – Facultad de Ciencias de
la Salud).
• Modelado, control y análisis del agarre de la mano robótica (Grupo de Automática Industrial).
• Procesamiento, extracción de características e identifica-
5
ción de movimiento de las señales electromiográficas (Grupo de Nuevas Tecnologías en Telecomunicaciones y Grupo
de Automática Industrial).
• Diseño y construcción de la mano en un ambiente virtual
(Grupo de Automática Industrial).
• Validación del sistema sobre amputados de mano (los tres
grupos participantes).
En el proyecto participan actualmente quince investigadores, los cuales trabajan en las áreas de modelado matemático, robótica, diseño CAD, software, procesamiento de
señales, fisioterapia y neurología. Igualmente una de las
temáticas de investigación de la Maestría en Ingeniería,
área Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad
del Cauca, está orientada a soportar este proyecto.
Foto 4. Robot CyberKnife
Foto 5. Robot Da Vinci.
De otra parte el éxito de esta investigación permitirá más
adelante extender los resultados a prótesis de brazo y de
pierna.
Simulador quirúrgico.
Una simulación quirúrgica consiste en reproducir las sensaciones visuales y táctiles experimentadas
por el cirujano durante un procedimiento quirúrgico, a través del uso del computador y de un sistema
robótico (Delinguette y Ayache, 2004). El interés médico de esta técnica está ligado al desarrollo de la
cirugía mini-invasiva, especialmente la video-cirugía (endoscopia, laparoscopia).
Aunque los robots asistentes para cirugía pueden tardar aún algunos años en llegar a nuestro país,
el uso de simuladores quirúrgicos sí puede fácilmente difundirse en las universidades colombianas,
conllevando igualmente los conocimientos sobre robótica quirúrgica. Esto se debe a que los simuladores pueden ser vistos como sistemas con un funcionamiento similar al desplegado por los robots
Zeus y Da Vinci mostrados en la sección 3.6. Es decir, el aprendiz de cirujano puede estar frente a la
pantalla del computador accionando dos interfaces hápticas, las cuales son dispositivos que poseen sensación de retorno. En el computador estarán los modelos de los órganos que intervienen en
determinadas operaciones quirúrgicas. El cirujano podrá entonces manejar estas dos interfaces como
si de instrumentos quirúrgicos se trataran, inmerso en un ambiente virtual con la mayor cantidad de
detalle posible. Obsérvese la similitud de este sistema con los robots vistos: en vez del robot real se
tendrá un sistema virtual modelado en el computador. Es de anotar las ventajas de este simulador
sobre los entrenamientos comúnmente utilizados como animales y cadáveres (Delingette y Ayache,
2005; Haptica, 2006).
Con el fin de construir un primer simulador básico, se está trabajando actualmente con los siguientes
proyectos de maestría y pregrado:
• Modelado y simulación en 3D de un robot para laparoscopia (tesis de maestría).
• Evaluación del desempeño de un robot Puma en operaciones de laparoscopia (tesis de pregrado).
La idea es una vez conocidos con exactitud los movimientos utilizados en las operaciones de laparoscopia más comúnmente llevados a cabo en el país, diseñar un par de robots quirúrgicos en un
ambiente tridimensional con el fin de seguir los movimientos deseados. Fases posteriores del proyecto
trabajarán sobre el modelo matemático de los órganos y los posibles retornos hápticos.
Conclusiones
La robótica ha revolucionado la producción industrial y está empezando a realizar aportes extraordinarios en el campo médico. No estará lejano el día en que un amputado de pierna o mano pueda
recuperar completamente la funcionalidad perdida, efectuando sus labores cotidianas con naturalidad y “sintiendo” el órgano artificial como si se tratara de su propia extremidad. Cabe resaltar la
gran importancia que para la sociedad tienen estas investigaciones, y en particular para nuestro país
aquejado desde hace varias décadas por una situación compleja de violencia.
De otra parte es interesante la aplicación de la robótica en los asistentes quirúrgicos, donde antes que
reemplazar al cirujano lo que se pretende es potenciar y mejorar su desempeño. Más inmediatamente
aplicable a nuestro entorno se encuentran los simuladores quirúrgicos, entrenadores para nuevos
cirujanos y puente hacia los asistentes quirúrgicos propiamente dichos.
Se ha querido con este artículo presentar los últimos avances mundiales en el área al interior de la
Universidad del Cauca, y mostrar los trabajos relacionados que ha empezado a desarrollar el Grupo
de Automática Industrial (www.ai.unicauca.edu.co ) de la Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones.
Electrónica