Capítulo 1
Os temas abordados no capítulo um são referentes a tecnologias utilizadas durante as intervenções cirúrgicas e na aquisição de imagens médicas. Em específico,
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a aquisição de imagem através ultrassonografia, o tipo de imagem obtida, os modelos de sonda de ultrassom e o funcionamento de cada uma, em particular a sonda transesofágica.
Capítulo 2
No capítulo dois são abordados os principais temas da atualidade na resolução do problema referido no capítulo 1.
Capítulo 3
Os temas abordados no capítulo três são referentes ao desenvolvimento da solução encontrada para a minimização do problema na utilização da sonda transesofágica, que tipo de medidas foram abordas e postas em prática para a resolução do problema. Será abordado a arquitetura do sistema e de que forma foram desenvolvidas soluções para cumprir os objetivos traçados, referindo o desenvolvimento de componente mecânico para movimentar os eixos, o desenvolvimento eletrónico para controlo e comunicação com outros dispositivos.
Capítulo 4
No capítulo quatro, será apresentada a aplicação desenvolvida para deteção e seguimento automático dos instrumentos cirúrgicos, baseada na utilização de sensores de motion tracking.
Capítulo 5
No capítulo cinco, serão mostrados os resultados alcançados a partir do estudo da performance do sistema. Deste modo, são apresentadas as prestações do controlador na calibração dos ângulos dos eixos X-Y, na realização de movimentos simultâneos em diferentes sentidos, velocidades máximas de operação, tempo de resposta, e consumos.
Capítulo 6
No capítulo seis, são discutidos os resultados obtidos, nomeadamente no laboratório com os resultados obtidos em phanton.
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Capítulo 7
No capítulo sete, é realizada uma conclusão sobre as problemáticas gerais do projeto, é igualmente referido de que forma o sistema poderá ser melhorado e quais as melhores soluções que poderiam ter sido tomadas, levando à melhor solução.
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CAPÍTULO 2 ESTADO DA ARTE
2.1. Cirurgia de intervenção cardíaca: métodos,
instrumentos e seguimento de cateteres
Atualmente, a utilização da sonda transesofágica no bloco operatório tem vindo a aumentar, maioritariamente para fazer exames ao coração. Esta procura significativa deve-se à facilidade de utilização, boa definição de tecidos moles, e ainda pelo facto de não haver radioatividade para o paciente, ao contrário do Raio-X[14].
Para melhorar a falta de contraste de tecidos moles, uma imagem estática (3D) tridimensional pode ser gerada a partir de alta resolução 3D de tomografia computadorizada (TC) / imagens de ressonância magnética (MRI), registrado e sobrepostos em tempo real com fluoroscopia de raios-X[14].
A ultrassonografia é relativamente barata, fornece imagens em tempo real e oferece um contraste de tecidos moles, contudo, nem sempre as imagens obtidas apresentam a melhor qualidade [15].
Um ecocardiograma transesofágica (ET), é um exame no qual imagens do coração são obtidas por meio de ondas ultrassom. Essa ultrassonografia do coração difere da ecografia padrão, na qual o coração é visualizado colocando - se uma sonda de ultrassom diretamente sobre o tórax[16]. Um ET é realizado com uma sonda de ultrassom especialmente projetada, a qual é introduzida pela boca, delicadamente, dentro do esófago[13]. No ET, a sonda é capaz de visualizar o lado posterior do coração a partir dessa posição. O médico solicita esse exame para obter uma vista mais detalhada da estrutura do coração, do movimento das válvulas cardíacas e do fluxo de sangue.
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O cateterismo cardíaco é um procedimento médico invasivo, rápido e preciso. Neste procedimento, o cateter é inserido através de uma artéria, de uma perna ou de um braço até o coração[17]. É necessária monitorização cardíaca durante todo o exame, para que o coração seja controlado através do eletrocardiograma. Quase sempre, é realizado com anestesia local associada ou não, à sedação[17]. Dependendo do objetivo, os cateteres podem ser utilizados para medir a pressão, observar o interior dos vasos sanguíneos, alargar uma válvula cardíaca ou desentupir uma artéria bloqueada. É possível também, através da utilização de instrumentos introduzidos através do cateter se obter amostras de tecido do coração para biópsia[17].
Para a deteção e tracking do cateter em tempo real estão propostos na literatura diversos métodos, que procuram como principais requisitos, a rapidez e eficiência. Os métodos propostos, baseiam-se essencialmente na utilização de classificadores em cascata [18], filtro de KALMA [5,7], e, filtros passa-baixo em 2D [14]. Contudo, se o filtro for muito robusto vai causar atrasos no tracking do cateter, e já não será possível a aquisição em tempo real.
A posição do cateter é influenciada pelos movimentos respiratórios e cardíaco, o que aumenta a dificuldade de um traking preciso e eficiente. Os diferentes métodos existentes apresentam erros de tracking de 1 a 10 mm [5, 8-10].
Para melhorar a margem de erro associado a cada filtro na deteção do cateter, foi introduzido a reconstrução do alvo anatómico em 3D, o que facilita a visualização em diferentes ângulos[20]. A reconstrução do alvo anatómico em 3D é realizada através da deteção de contornos do cateter[14], reconstrução de órgão através do sistema nano-CT (nano-Pet ™ / CT, Mediso Ltd., Budapeste, Hungria), algoritmo de alto desempenho que é capaz de reconstruir volumes 3D de alta resolução.
Segundo G. Gao et. al [22] o controlo da sonda transesofágica é uma parte curial para um bom tracking do cateter, que ira reduzir os erros, aumentando a fiabilidade das imagem obtidas, facilitando a sua visualização [22].
Segundo G. Gao et. al [22] o controlo da sonda transesofágica é uma parte importante para um bom tracking do cateter, que ira reduzir os erros, aumentando a fiabilidade das imagem obtidas, facilitando a sua visualização [22].
A componente de rastreamento da sonda, que se destina a compensar o movimento trajetória da sonda ETE, causado pelo movimento cardíaco e respiratório, não está disponível no momento. É um tema de investigação em aberto[22].
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Instrumentos cirúrgicos robotizados
No bloco operatório, já existem diferentes máquinas para apoiar os médicos na intervenção medica em diferentes ramos, de forma a reduzir os custos para o hospital, e o tempo que a pessoa tem de estar de baixa, podendo voltar rapidamente a vida ativa.
O robô Da Vinci é atualmente a mais avançada tecnologia disponível para os cirurgiões[23] (ver figura 12).
Figura 12 Robô Vinci[24]
Ele consiste em três componentes principais: uma consola cirúrgica, um corpo com os braços robóticos, e uma estação de controlo com uma unidade de processamento e um sistema de visualização 3D de alta definição. O cirurgião realiza todo o procedimento cirúrgico através da estação de controlo, através da qual, pode interagir com os braços robóticos usando controladores por joystick táteis, enquanto assiste a toda a manipulação através de um ecrã 3D[23].
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Figura 13 Sistema Cirúrgico Da Vinci; a) Monitor assistente; b) Robô cirúrgico; c) Ferramentas tecnologia Endo-Wrist que acompanham simultaneamente os movimentos da mão e punho do cirurgião; d) O cirurgião na consola operacional; e) O cirurgião aplica movimentos manuais de cirurgia aberta[24]
O seu aparecimento levou ao desenvolvimento de outros, mais simples e para utilização direta na mão do cirurgião.
O Kymerax oferece 6 graus de liberdade controlados com uma interface, um joystick com diferentes botões, que permitem bloquear e selecionar diferentes movimentos pré-definidos[23].
Figura 14 Robô Kymerax
O Jaime oferece sete graus com uma interface com o utilizador mais intuitiva e ergonómica[23].
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O EndoRobot integra um sistema eletromecânico com três graus de liberdade e um controlo em malha fechada[23]. EndoRobot é um mecanismo de mão robótico cirúrgico portátil. As ferramentas são descartáveis e são presas por um sistema de bloqueio e desbloqueio, o movimento de desbloqueio é obtido por ativação de um servo motor. O mecanismo que foi desenvolvido para abrir e fechar a pinça, é um sistema de gatilho que cria um movimento de alavanca, com pinças[23][23][23].
Figura 15 EndoRobot [23]
Cada eixo pode ser manipulado de forma independente, e possibilita o controlo de diferentes níveis de sensibilidade ao permitir movimentos rápidos e lentos [23][23][23]. A alimentação pode ser conferida ao dispositivo por bateria ou por fonte de alimentação externa. Este sistema permite ainda a ligação da sua ferramenta ao sistema bipolar, o que permite a sua utilização como um bisturi eletrônico bipolar, este bisturi gera uma corrente elétrica de alta frequência que pode cortar tecidos e órgãos, sem sangramento[23].
O movimento de rotação na pinça é criado através de rodas dentadas. As engrenagens vão reduzir a velocidade e aumentar o binário da ferramenta. A relação entre o número de dentes das engrenagens é diretamente proporcional ao binário e inversamente proporcional a velocidade de rotação. Uma vez que a engrenagem movida tem o dobro do número de dentes em relação a roda motriz, a roda movida tem duas vezes mais torque e metade da velocidade do que a roda motriz (ver figura 15).
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Figura 16 Transição de movimento: 3) Roda movida; 2) roda motriz; 1) Servo Motor [23]
O hardware utilizado foi especificamente desenvolvido para o EndoRobot. Este assegura a captura de todos os movimentos em tempo real, para controlar a posição e velocidade dos eixos do dispositivo. Todas as comunicações entre o EndoRobot e o PC são realizadas utilizando um protocolo UDP através de uma conexão WI-FI. A comunicação entre o microcontrolador é realizada através de um protocolo I2C [23]. O protocolo UDP foi escolhido principalmente por causa de sua natureza sem conexão, sendo adequado para aplicações que não toleram muita latência, mas podem tolerar alguns erros de dados. O controlo dos servos motores que disponibilizam três graus de liberdade é obtido através de um controlador PI. Os servos são dotados de encoders absolutos, (modelo AS 5048B) para dar um feedback em tempo real ao controlador da posição de cada servo motor.
A sonda endoscópica (ver figura 17) é um instrumento cirúrgico utilizado em cirurgia e diagnóstico tem como princípio de funcionamento, a sonda transesofágica. No trabalho descrito em [16], foi apresentado um sistema eletromecânico para o controlo dos graus de liberdade de um endoscópio com objetivo de controlar de uma forma mais intuitiva os movimentos da sua ponta. Uma vez que o controlo dos manípulos do endoscópio é colocado em cima uns dos outros, os motores são montados em diferentes alturas. As engrenagens maiores foram pré-encaixada sobre as rodas dos manípulos. Ao colocar um acoplador com um coeficiente de atrito elevado, os motores são impedidos de se mover em relação ao endoscópio[25].
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Figura 17 Manípulos da sonda endoscópica
O torque máximo necessário para mover os manípulos foi de aproximadamente 0.4Nm, a velocidade requerida é de 15 rpm[25]. Os motores que foram selecionado, apresentavam uma velocidade nominal de 5440 rpm e um binário nominal de 12mN-m, e foram combinados com uma caixa redutora de 76:1 e uma de 3:1. Por sua vez, os motores transmitem o movimento por correias aos manípulos dos atuadores do endoscópio. Incorporando as perdas por atrito, o binário no máximo é de 24mN-m a 1,4N-m [25] (Ver figura 18).
Figura 18 Engrenagem dos Motores [25]
Um acoplamento de atrito ajustável está incluído em cada dos motores para evitar danos ao endoscópio quando a gama de rotação máxima é excedida, por exemplo, devido a um erro de software [25].
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O controlo do motor é feito com dois controladores de motor SimplIQ Whistle (Elmo Motion Control, Petach Tikva-, Israel). Estes drivers digitais, podem ser parametrizados e comandados através do protocolo CANopen. O programa principal foi executado num computador com Linux. Um dongle CANUSB (lei- icel, Tyringe, Suécia) habilita a comunicação com os controladores dos motores através da porta USB. Para medir os movimentos da ponta do endoscópio, um sensor de movimento MTi (Xsens, Enschede, Holanda) foi escolhido. O sensor foi ligado ao computador através de um conversor RS232-USB. Para o interruptor de pé, um pedal com uma pressão de contacto foi utilizado, e ligado através de uma entrada digital [25] (ver figura 19).
Figura 19 Representação esquemática
O software foi criado em C ++. A orientação da ponta do endoscópio é controlada através da orientação da cabeça do médico que usa para o efeito uns óculos de realidade virtual que dispõem de um sensor de orientação. O ciclo de controlo utiliza uma taxa de atualização de 100 Hz. Se o pedal de pé não é pressionado nenhum novo dados de posição é enviado para os motores.
2.2. Outros instrumentos utilizados em cirurgias minimamente invasivas
O toracoscópio é um dispositivo rígido que precisa ser operado manualmente [16]. Isto tem várias desvantagens, o que pode ser classificados em duas categorias. Em
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primeiro lugar é necessário um assistente para controlar o toracoscópio, o que requer um espaço na área onde o cirurgião tem que estar. Isto leva a uma posição não natural tanto para o cirurgião e assistente, o que pode resultar em fadiga e stress. Além disso, é pouco provável que o assistente mova a câmara exatamente da mesma forma que o cirurgião gostaria. (ver figura 20).
Figura 20 Thoracoscopy[25]
Em segundo lugar a manobrabilidade do toracoscópio é limitada. Isto significa que o movimento de um instrumento cirúrgico no interior do paciente é dimensionado e invertida na direção em relação ao movimento para fora. O controlo do toracoscópio é contraintuitivo para o assistente e o movimento do instrumento fora do paciente pode interferir com outros instrumentos (ver figura 21).
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CAPÍTULO 3
DESENVOLVIMENTO DE UM ROBÔ PARA MANIPULAÇÃO DA
SONDA TRANSESOFÁGICA