Estrategias de colaboración entre robots quirúrgicos y cirujanos ante la detección y resolución de situaciones de emergencia

Abstract

The practice of minimally invasive surgery, wide spread nowadays, offer a series of general advantages related with the technique and applicable to almost any intervention. In general, all procedures meet the objectives of reducing morbidity postoperatory and lowering of the physiologic response to the surgical aggression. The expansion of these techniques has been limited by several factors: the lack of surgical equips specializing on these techniques, the additional resources required by operating rooms prepared for laparoscopic surgery and the persistence of iatrogenic injuries despite the technological advances and the improvement of the training centres. Those injuries often remain undetected due to the visual limitations inherent to these techniques, situation that doesn’t usually occur during laparotomy. Through this doctoral thesis several systems and devices have been proposed with which it is intended to offer a solution to these problems. One of the first proposal of this thesis consist in a series of mini camera robots models magnetically attached to the abdominal wall of the patient, so it have the advantage of not occupying an entry port nor have their position limited by the entry point. To fulfill the magnetic anchorage, an exterior device was designed to position the inner device and to allow a rapid manipulation by a robotic arm. To control the orientation of the camera two models was proposed, first one consist of a hollow inner cam that allows to be manipulated through the exterior device. The second model has a mini stepper motor to reach the desired orientation. Also, a series of computer vision algorithms were developed, aimed to avoid or help to solve a possible complication or emergency situation. The first algorithm proposed was designed with the objective of locate and track the position of the surgical gauzes used during the surgical intervention, which are sometimes left forgotten inside the patient given the difficulty of recognizing them once they have been soaked with blood. The second algorithm developed has the purpose of detecting haemorrhages that could be left undetected by the surgical team, marking the moment when such complication occur and the position of the poured blood. Finally, the proposed system’s performance was tested. For the in vitro experiments developed in the laboratory, the mini camera robots, independent lights, the bleeding detector algorithm and a gaze tracker were used. Were tested the influence of the system over the hand-eye coordination, the response time when a complication occurs and others factors, obtaining satisfactory results that may prove the usefulness of the systems proposed during this thesis to be used in an operating room during a real surgical intervention.

La práctica de la cirugía mínimamente invasiva, tan extendida hoy en día, presenta una serie de ventajas generales relacionadas con la técnica y aplicables a casi cualquier intervención. En general, todos los procedimientos cumplen los objetivos de la reducción de la morbilidad postoperatoria y la disminución de la respuesta fisiológica a la agresión quirúrgica. La expansión de estas técnicas se ha visto lastrado por varios factores: falta de equipos quirúrgicos especializados en estas técnicas, los recursos adicionales que requieren los quirófanos preparados para cirugía laparoscópica y la persistencia de la lesiones iatrógenas pese a los avances tecnológicos y la mejora de los centros de formación. Dichas lesiones son a menudo pasadas por alto debido a las limitaciones visuales inherentes a estas técnicas, situación que no suele ocurrir durante la cirugía por laparotomía. A través de esta tesis doctoral se han propuesto varias sistemas y dispositivos con los que se pretende dar solución a estas problemáticas. Una de las primeras propuestas de esta tesis consiste en una serie de modelos de mini robots camarógrafos magnéticamente anclados a la pared abdominal del paciente, por lo que poseen la ventaja de no ocupar un puerto de entrada ni tener su posición limitada por el punto de entrada. Para completar el anclaje magnético, se ha diseñado un dispositivo exterior que posicione el dispositivo interior y permita una rápida manipulación por parte de un brazo robótico. Para el control de la orientación de la cámara se han propuesto dos modelos, el primero consistente en una leva interior hueca que permite su manipulación desde el dispositivo exterior. El segundo modelo lleva incorporado un mini motor paso a paso para lograr la orientación deseada. También se desarrollaron una serie de algoritmos de visión por computador, con el fin de evitar o ayudar a solucionar una posible complicación o situación de emergencia. El primer algoritmo propuesto fue diseñado con el objetivo de localizar y controlar la posición de las gasas quirúrgicas usadas durante una intervención quirúrgica, que en ocasiones se dejan olvidadas dentro del paciente dada la dificultad de reconocerlas una vez que se han empapado de sangre. El segundo algoritmo desarrollado tiene como objetivo la detección de hemorragias que puedan pasar desapercibidas por el equipo quirúrgico, señalando el momento en que ocurre tal complicación y la posición de la sangre vertida. Finalmente se puso a prueba el rendimiento del sistema propuesto. Para los experimentos in vitro desarrollados en el laboratorio se usaron mini robots camarógrafos, luces independientes, el algoritmo detector de sangrados y un seguidor de mirada. Se comprobó la influencia del sistema sobre la coordinación ojo-mano, el tiempo de reacción frente a una situación de emergencia además de otros factores, obteniendo resultados satisfactorios que pueden demostrar la utilidad de los sistemas propuestos en esta tesis para ser usados en un quirófano durante una operación real.