I stotą leczenia chirurgicznego choroby niedokrwien-nej serca jest wszczepienie do tętnic wieńcowych,

omijających pomostów (bypassów), doprowadzającychdo zagrożonych niedokrwieniem obszarów mięśnia ser-cowego natlenioną krew. W typowej operacji dostęp doserca uzyskuje się przez sternotomię, czyli szerokie otwar-cie klatki piersiowej z rozcięciem mostka. Operacje ma-łoinwazyje (MIS — minimally invasive surgery) wykonu-je się bez otwierania klatki piersiowej, ponieważ wszelkieczynności podczas operacji chirurg wykonuje za pomo-cą narzędzi wprowadzanych do ciała pacjenta przez kil-ka otworów — najczęściej trzy (fot. 1).

W czasie takich zabiegów, chirurg obserwuje na mo-nitorze obraz operowanego narządu uzyskany za pomo-cą laparoskopu lub kamery i do wykonania każdej czyn-ności operacji stosuje narzędzia z cienkim wysięgnikiem,np. specjalne nożyczki, klipsownice, elektrody do ko-agulacji tkanek, uchwyty do utrzymywania narządów.Taki sposób operacji wymaga od chirurga dodatkowychumiejętności, ponieważ zamiast patrzeć bezpośrednio naobszar operacji, widzi je jakby przez „dziurkę od klucza”(fot. 2).

Istotną trudnością w operacjach małoinwazyjnych jestograniczona przestrzeń do operowania narzędziami, alewysiłek chirurga się opłaca — pacjent mniej cierpi, tra-ci mniej krwi, krócej przebywa w szpitalu [1, 2, 3].

Pierwsze roboty medyczne, będące w istocie zmody-fikowanymi robotami przemysłowymi, znalazły zastoso-

wanie w ortopedii i chirurgii mózgu. W ortopedii ope-racja przypomina proces produkcyjny — trzeba ciąć, fre-zować i wiercić twardą tkankę kostną, której kształt i po-łożenie jest dobrze znane. Taką operację możnadokładnie zaplanować na trójwymiarowym modelu ko-ści i tkanek powstałym dzięki wykorzystaniu tomografiikomputerowej. W chirurgii mózgu rzecz ma się podob-nie: można stworzyć komputerowy model mózgu, prze-ćwiczyć na nim operację, a następnie wykonać właściwąoperację.

W przypadku operacji kardiochirurgicznych narzę-dzia wykonawcze pracują na sercu i naczyniach krwio-nośnych w przestrzeni uzyskanej po opadnięciu płu-ca prawego lub lewego w lewej lub prawej opłucnej.Odległość między klatką piersiową a naczyniem wień-cowym jest mniejsza od 3 cm, zatem projektowane na-rzędzie musi mieć minimalne wymiary, dzięki czemuzostanie zwiększona sprawność operowania w danejprzestrzeni. Ze względu na założenie małoinwazyjno-ści, średnica portów, czyli tych miejsc w klatce piersio-wej, przez które narzędzia będą wprowadzane do cia-ła pacjenta, nie może przekraczać 10 mm, a zatemśrednica projektowanego narzędzia również nie możeprzekroczyć 10 mm. Projektowane narzędzie powin-no mieć możliwość szybkiej wymiany części roboczej,co spowoduje, że w przypadku zaistnienia potrzebyzmiany narzędzia na inne, bardziej wyspecjalizowanedo konkretnej czynności np. szycia lub cięcia, wystar-czy tylko zmienić część roboczą, natomiast całe narzę-dzie będzie przymocowane do ramienia robota spe-cjalnie zaprojektowaną szybkozłaczką, tak aby w razienagłej konieczności np. uszkodzenia, było możliwe szyb-kie odłączenie narzędzia i jego wymiana. Mechanizm ra-mienia musi umożliwiać wsunięcie narzędzia i sterowa-nie nim z dokładnością nie gorszą niż 0,1 mm.Wymaganie tak dużej precyzji operowania narzędziamioraz konieczność napędzania elementów wykonaw-czych poprzez ramię o średnicy do 1 cm, wskazują, żedo napędu należy użyć silników elektrycznych oraz cię-gien lub innych elementów transmisyjnych do przeka-zywania napędu do końcówek wykonawczych. Cały ze-spół — ramię wraz z narzędziem — powinien umożliwiaćwykonanie podstawowych procedur manipulacyjnych(chwytanie rozmaitych przedmiotów, przecinanie, szy-cie, koagulacja, unieruchamianie, przytrzymywanie)przy różnych obciążeniach i tkankach [4].

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2004

5

Narzędzie laparoskopowe do robotakardiochirurgicznegoKrzysztof Mianowski Zbigniew Nawrat Michał Kulawiec

Dr inż. Krzysztof Mianowski – PolitechnikaWarszawska, dr Zbigniew Nawrat – Fundacja RozwojuKardiochirurgii, mgr inż. Michał Kulawiec – PIAP

Projekt techniczny narzędzia laparoskopowego o napędzie elektrycznym dla robota

kardiochirurgicznego został opracowany w postaci modelu trójwymiarowego i sko−

jarzonej z nim dokumentacji technicznej wykonanej z wykorzystaniem systemu UNI−

GRAPHICS. Natomiast animacje i obliczenia inżynierskie wykonano z wykorzysta−

niem systemu ADAMS.

Fot. 1. Operacjakardiochirurgicznaprzeprowadzanaw sposób małoinwazyjny

Fot.2. Obraz pola operacjiwidziany oczymachirurga podczasoperacji małoinwazyjnej

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2004

6

Aby uwzględnić najistotniejsze geometryczne czyn-niki środowiska, w którym ma pracować projektowa-ny telemanipulator, na Wydziale MEiL w PolitechniceWarszawskiej stworzono uproszczony model przestrze-ni wirtualnej, w której ma operować narzędzie laparo-skopowe. Z uwzględnieniem rzeczywistych parame-trów środowiska operacyjnego konstruktor możeweryfikować prawidłowość doboru schematu kinema-tycznego oraz parametrów geometrycznych, jak najle-piej dopasowując je do przewidywanych zadań, dla któ-rych jest projektowane narzędzie. Należy zaznaczyć, żemodel taki można stworzyć z wykorzystaniem odpo-wiednio przetworzonego obrazu z kamery endowizyj-nej lub tomografu komputerowego i wówczas zapro-jektowane środowisko można wykorzystać do treninguzawodowego połączonego z symulacją planowanej ope-racji w trakcie przygotowywania strategii jej przebiegu.Na bazie takiego modelu można również opracowaćsystem wspomagający pracę zespołu operującego, za-wierający bazę danych z informacjami diagnostyczny-mi oraz danymi z wcześniej prowadzonych operacjilub ich symulacji. Lekarz-operator będzie mógł w każ-dej chwili wykorzystać program doradczy i korzystaćz najnowszych doświadczeń innych zespołów opera-cyjnych jak i najnowszych danych dotyczących typo-wych narzędzi chirurgicznych [4] i najskuteczniejszychtechnikach operacyjnych opracowanych w innychośrodkach.

Opis konstrukcji i zasada działanianarzędziaW proponowanym projekcie zespół narzędzia składa sięze skrzynki napędowej oraz dołączanego narzędzia la-paroskopowego. Narzędzie i skrzynka napędowa są ele-mentami rozłączanymi. Skrzynka napędowa ma gniaz-do z tulejkami napędowymi, w którym asystentchirurga umieszcza odpowiednie narzędzie do wyko-nywanej czynności w czasie operacji. W narzędziu,w części odbierającej napęd, zaprojektowano czterywałki wielowypustowe. Trzy z nich mają za zadanieprzekazywanie napędu, natomiast czwarty wałek w cza-sie pracy narzędzia jest unieruchamiany. Podczas wkła-dania narzędzia do gniazda skrzynki, wielowypusty do-pasowują się do odpowiednich otworów w tulejachnapędowych gniazda. Dociśnięcie narzędzia do skrzyn-ki i unieruchomienie względem gniazda odbywa siępoprzez dokręcenie nakrętki dociskającej. Gniazdow skrzynce napędowej wraz z elementami odbierający-mi napęd w narzędziu stanowią tzw. mechanizm szyb-kozłączki.

Średnica narzędzia zmienia się w granicach od 10 mmdo 5 mm, przy czym człon 1. ma średnicę 10 mm, nato-miast końcówka ma średnicę 5 mm. Jest to zgodne z przy-jętymi założeniami konstrukcji narzędzia. Poszczególneczłony tworzą ze sobą pary kinematyczne V klasy. Ru-chliwość samego narzędzia, bez uwzględnienia ramie-nia robota wynosi 3. Można ją obliczyć ze wzoru na ru-chliwość otwartych łańcuchów kinematycznych.

Fot. 3. Zespół narzędzia do robota kardiochirurgicznego – widok ogólny wg projektu

Fot. 4. Wielowypusty w części odbierającej napęd narzędzia

Fot. 5. Narzędzie laparoskopowe - widok ogólny wg projektu

Fot. 6. Skrzynka układu napędowego narzędzia

Rys. 1. Schemat kinematyczny narzędzia wraz z napędami

Rys. 2. Zasada działania narzędzia

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2004

7

Ruchliwość otwartych łańcuchów kinematycznychokreśla wzór:

gdzie: n — liczba ruchomych członów bez podstawy(n = 3), pi — liczba par kinematycznych i-tej klasy, w na-rzędziu występują jedynie pary kinematyczne V klasy, za-tem pi= 3 (przy wyznaczaniu pi nie brano pod uwagę parkinematycznych w mechaniźmie nożycowym chwytaka).

Fot. 7. Skrzynka napędowa:a) widok ogólny, b) mechanizmy napędowe

Rys. 3. Końcówka narzędzia – układ kinematyczny

Fot. 8. Końcówka narzędzia – widok ogólny

Fot. 9. Układy napędowe i układ momentów obciążającychnarzędzie

Wobec tego ruchliwość:

w = 6 · 3–5 · 3 = 18–15 = 3

Przekaz napędu do członów 2. i 3. odbywa się za po-mocą zespołu wałków kształtowych, połączonych ze so-bą przegubami Cardana. Wewnątrz wałków jest umiesz-czony drut, pełniący rolę cięgła-popychaczanapędzającego mechanizm nożycowy końcówki. Człony1. i 2. mają kształt rurek wygiętych o 10°. Zasada działa-nia narzędzia jest następująca. Obrót członu 1. o 180°względem osi X1, powoduje zmianę jego orientacjiw płaszczyźnie rysunku o 20°. Podobnie rzecz ma sięw przypadku członu 2. W ten sposób uzyskuje się cieka-wy efekt: mianowicie odpowiednio obracając członami1. i 2. można uzyskać różnorodne konfiguracje kształtu,co może się okazać przydatne na przykład wtedy, gdyzaistnieje potrzeba ominięcia jakiegoś narządu w klat-ce piersiowej pacjenta.

Jest to nowatorski sposób przekazywania napędu, nie-stosowany dotąd w robotach medycznych. Zwiększa do-kładność narzędzia oraz jego niezawodność w porówna-niu z przekazywaniem napędu za pomocą linek,powszechnie używanych w robotach medycznych. Nakorzyść tego rozwiązania konstrukcyjnego przemawiatakże możliwość użycia projektowanego narzędzia w ty-powej operacji laparoskopowej. Należy jedynie zapro-jektować mechanizm napędzający narzędzie, dostoso-wany do dłoni człowieka, jak to ma miejsce w typowychnarzędziach laparoskopowych. Zespół napędowy narzę-dzia został umieszczony w specjalnej skrzynce, którejgłównym elementem nośnym jest konsola. Do konsoli zo-stały zamocowane wszystkie elementy skrzynki. Przyprojektowaniu skrzynki napędowej dążono do uzyskaniajak najmniejszej masy, zatem konsola została zaprojek-towana jako element ażurowy z duralu PA7.

Ścianki przednia i tylna są zaprojektowane jako ele-menty z tworzywa sztucznego (poliacetal POM), nato-miast pozostałe ścianki jako elementy z blachy PA7 o gru-bości 0,5 mm. Wszystkie elementy wchodzące w składskrzynki napędowej przewidziano jako wykonane z PA7.Wyjątek stanowią ścianki przednia i tylna, panewki łożyskoraz koła zębate, wykonane z tworzywa sztucznego. Dzię-ki takiemu podejściu udało się osiągnąć masę skrzynkiok. 0,6 kg i masę samego narzędzia ok. 0,3 kg, zatem ma-sa całego zespołu narzędzia wynosi 0,9 kg. Obliczeniamasy poszczególnych elementów zostały wykonanew systemie UNIGRAPHICS, po wcześniejszym doborzemateriałów na poszczególne elementy. Końcówki w ty-powych narzędziach laparoskopowych zazwyczaj są wy-specjalizowane do określonych czynności manipulacyj-nych. Wiąże się to nierozerwalnie z różnorodnościąkształtu szczypiec, ich wielkością jak również zasadądziałania chwytaka. W projektowanym narzędziu koń-cówka została wyspecjalizowana do czynności szycia.Zasada działania chwytaka opiera się na typowym mecha-nizmie nożycowym. Szczypce w zaproponowanym roz-wiązaniu są niesymetryczne, co ma ułatwić manipulo-wanie igłą podczas operacji. Środowisko pracy narzędziastawia wysokie wymagania odnośnie do materiału, z któ-rego będą wykonane poszczególne elementy narzędzia.

a)

b)

Konieczna zatem staje się analiza tego problemu pod ką-tem odporności na korozję oraz właściwości mechanicz-nych materiałów. Narzędzia chirurgiczne są przeważniewykonywane ze stali nierdzewnych.

Stale nierdzewne (chromowe), charakteryzują się od-pornością na działanie wód naturalnych, czynników at-

mosferycznych, pary wodnej, roztworów alkalicznychi rozcieńczonych kwasów organicznych, natomiast niesą odporne na działanie większości kwasów nieorga-nicznych, stężonych roztworów niższych kwasów orga-nicznych (np. octowego lub mrówkowego) oraz kwa-śnych roztworów solnych. Jako minimum zapewniającedostateczną nierdzewność uważa się zawartość 12 % Cr,przy czym nierdzewność rośnie wraz ze wzrostem za-wartości chromu, natomiast maleje wraz ze wzrostemzawartości węgla. Szczególnie niekorzystnie oddziałujewęgiel w postaci węglików. Podstawowym warunkiemnierdzewności jest metalicznie czysta, polerowana po-wierzchnia [5].

Elementy napędowe zespołu narzędzia zostały uloko-wane w skrzynce napędowej. Skrzynka jest największympodzespołem narzędzia, materiał, z którego będą wyko-nane poszczególne elementy skrzynki powinien być jaknajlżejszy oraz charakteryzować się odpornością na ko-rozję.

Charakterystyki układów napędowychDo wyznaczenia obciążeń statycznych i dynamicznychczęści, podzespołów, zespołów narzędzia i układu napę-dowego oraz sporządzenia podstawowych charaktery-styk dynamicznych wykorzystano program ADAMS.

Na przykład, czynność wbijania igły będzie realizowa-na jedynie przez człon 3., natomiast człony 1. i 2. stano-wią ramię podpierające i mają za zadanie umożliwienieprzyjęcia właściwego kształtu narzędzia podczas opera-cji. W celu oszacowania momentów M1 i M2 napędzają-cych człony 1. i 2. przyjęto, że one również powinny miećzdolność wbicia igły. Innym niezbędnym zagadnieniemjest wyznaczenie takiej wartości siły Fc w cięgle napędza-jącym mechanizm nożycowy, aby siła zacisku trzymane-go przedmiotu wynosiła założone wcześniej 10 N [6]. Za-daniem przekładni zębatych w projektowanym narzędziujest zwiększenie momentu napędowego w taki sposób,aby za przekładnią moment był większy od obliczonychmomentów wbijania igły dla poszczególnych członówo zadaną wartość. Drugim ważnym zadaniem przekład-ni zębatych jest zmniejszenie prędkości obrotowej zaprzekładnią do ok. 0,2–0,4 obr/s. Obliczeń dokonanow programie ADAMS. Przykładowe charakterystyki ukła-dów napędowych przedstawiono na rys. 4.

Z analizy otrzymanych wykresów widać, że dla zapew-nienia odpowiedniego zacisku w niekorzystnych warun-kach siła Fc powinna wynosić minimum 118 N. Zatemdo dalszych obliczeń przyjęto Fc = 130 N. W celu porów-nania wykonano obliczenia przemieszczenia popycha-cza. W wyniku symulacji otrzymano charakterystyki prze-mieszczenia popychacza w zależności od kąta rozwarciaszczypiec, ogólną dla mechanizmu, bez ograniczeń kon-strukcyjnych, gdy kąt zmienia się w zakresie od ok. -100°do 180°, oraz szczególną, uwzględniającą ograniczeniakonstrukcyjne, gdy kąt zmienia się w zakresie od 35° do0°. Charakterystyki są pokazane na rys. 5. Warto podkre-ślić, że charakterystyka w drugim przypadku, jest wycin-kiem charakterystyki pierwszej i jest bardzo zbliżona dolinii prostej, więc można przyjąć, że jest liniowa.

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2004

8

Rys. 4. Charakterystyki układów napędowych: a) zależnośćsiły w cięgle Fc od kąta rozwarcia szczypiec, b) przydziałaniu dodatkowej siły obciążającej Po.

Rys. 5. Charakterystyka przemieszczenia popychacza: a) bez uwzględnienia ograniczeń konstrukcyjnych, b) z uwzględnieniem ograniczeń konstrukcyjnych

Podsumowanie i wnioskiProjekt narzędzia laparoskopowego przedstawiony w ar-tykule został opracowany w systemie projektowym 3-DUNIGRAPHICS. Jest to rozwiązanie nowe, opracowanewedług koncepcji niestosowanej dotychczas w konstruk-cji takich narzędzi. Dotychczasowe wyniki prac projek-towych poparte wynikami analiz wykonanych w syste-mie ADAMS pokazują, że narzędzie takie zamocowane naramieniu manipulatora robota kulistego (nieopisanegow artykule), zwanego też stałopunktowym, wraz z ra-mieniem stanowi nowe rozwiązanie telemanipulatoramedycznego o dużej funkcjonalności i nowych właściwo-ściach kinematycznych, korzystnych do prowadzeniaoperacji kardiochirurgicznych. Narzędzie nadaje sięzwłaszcza do preparowania naczyń krwionośnych stoso-wanych do pomostowania naczyń wieńcowych. Należypodkreślić, że rozwiązanie to pozwala na równoczesnespełnienie wielu wymagań praktycznie nieosiągalnychw dotychczasowych konstrukcjach. Dotyczy to przedewszystkich wysokiej szacowanej dokładności związanejz dobrymi właściwościami kinematycznymi i nieogra-niczonymi zakresami ruchów w przegubach, co znako-micie upraszcza sterowanie i optymalizację rozwiązy-wanych zadań manipulacyjnych. Autorzy wnioskują, żetakie narzędzie może okazać się dobrze akceptowaneprzez lekarzy-operatorów i przyjmie się w praktyce lekar-skiej. Rozwiązanie to nie doczekało się jeszcze preproto-typu, ponieważ wymaga zastosowania wysokowytrzy-małych materiałów oraz wysokodokładnych technologii,przed decyzją o jego wykonaniu konieczne jest wyko-nanie modeli podstawowych i przeprowadzenie dodat-kowych badań sprawdzających.

Artykuł został opracowany na podstawie pracy dyplo-

mowej mgra inż. Michała Kulawca wykonanej na

Wydziale MEiL w Politechnice Warszawskiej na pod-

stawie zbioru tematów sformułowanych w projekcie

polskiego robota kardiochirurgicznego wykonywa-

nego w ramach projektu badawczego KBN Nr 8T11E

02815 i 8T11E 001 18 przez Fundację Rozwoju Kardio-

chirurgii.

Bibliografia

1. Materiały Sympozjum „Roboty Kardiochirurgiczne“,18 czerwca 2002, FRK, Zabrze.

2. Wernicki P.: Operacja robot, Polityka nr 40/2001. 3. Romanowska D.: Przez dziurkę od klucza, News-

week nr 4/2002. 4. Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii: Robot kardiochi-

rurgiczny — polski projekt. Wstępne założenia projek-towe, Zabrze, styczeń 2001.

5. Praca zbiorowa: Mały poradnik mechanika, tom I,WNT, Warszawa 1994.

6. Chodorowski J., Ciszewski A., Radomski T.: Materia-łoznawstwo lotnicze, Oficyna Wydawnicza Politech-niki Warszawskiej, Warszawa 1996.

RE

KLA

MA