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Prof. Doutor Nuno Rodrigues Prof. Doutor João Vilaça Orientadores

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Sistema Eletromecânico Para Controlo Intuitivo Dos Movimentos De Uma Sonda Transesofágica

José Carlos Gomes Miranda Orientadores

Prof. Doutor João Vilaça Prof. Doutor Nuno Rodrigues

Dissertação do Projeto Apresentado ao Instituto Politécnico do Cávado e do Ave para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrónica e Computadores- Ramo

Automação Robótica

DEZEMBRO, 2015

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iii Sistema Eletromecânico Para Controlo Intuitivo Dos Movimentos De Uma Sonda

Transesofágica

Mestrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores

Prof. Doutor João Vilaça Prof. Doutor Nuno Rodrigues

Dissertação do Projeto Apresentado ao Instituto Politécnico do Cávado e do Ave para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrónica e Computadores- Ramo

Automação Robótica

DEZEMBRO, 2015

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v Anexo V - Declaração

Nome

José Carlos Gomes Miranda

Endereço eletrónico: jose.c.g.miranda@igmail.com Tel./Telem.: 253951872 / 936684806

Número do Bilhete de Identidade: 13774202 9 ZY8 Título da dissertação:

Sistema Eletromecânico Para Controlo Intuitivo Dos Movimentos De Uma Sonda Transesofágica

Orientadores:

Prof. Doutor João Vilaça Prof. Doutor Nuno Rodrigues Ano de conclusão: 2015

Designação do Curso de Mestrado:

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Computadores – Ramo Automação e Robótica

É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA DISSERTAÇÃO/TRABALHO APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE;

Instituto Politécnico do Cávado e do Ave, 31 de Dezembro de 2015

Assinatura: ________________________________________________

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vii

Agradecimentos

Os meus primeiros agradecimentos vão para a minha namorada pelo apoio e compreensão pela minha ausência, causada pela investigação, devidos aos inúmeros problemas que foram aparecendo pelo decorrer da investigação, para conseguir melhorar as soluções para a resolução de cada problema.

Os meus segundos agradecimentos vão para os meus pais pelo apoio incondicional, tanto no trabalho como em casa, e compreensão pelo horário tardio de chegada a casa.

Agradeço ao orientador João Vilaça, e Nuno Rodrigues e todos dos que me apoiaram, na orientação e a disponibilidade pelo tempo que dedicou à resolução de problemas que me fui deparando no decorrer na minha investigação, de forma a poder avançar e atingir os objetivos traçados no arranque deste meu projeto.

Deste modo, o meu muito obrigado a todos pela compreensão e paciência que se não fosse assim não teria sido possível.

Um Sincero OBRIGADO a todos!

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ix

Resumo

O ser humano realiza uma alimentação pouco variada, com grandes teores de açúcar e gorduras saturadas, ao mesmo tempo, está sujeito a profissões cada vez mais competitivas aonde passa longos períodos sentados sem qualquer esforço físico.

Estes aspetos levam à acumulação de gorduras em redor de todos os órgãos, que promovem o aparecimento de problemas cardiovascular, que são atualmente, a principal causa de morte no mundo. O tratamento das doenças cardiovasculares é em muitas situações realizado por procedimentos minimamente-invasivos, que são guiados através de imagem médica. Contudo, a utilização de radiação durante a navegação é normalmente requerida o que tem consequências para o paciente e para a equipa médica.

Nesta dissertação, focamo-nos nos recentes sistemas de aquisição de imagem sem radiação e no desenvolvimento de sistemas mais inteligentes para facilitar o controlo destes equipamentos durante o procedimento. Assim, pretendemos desenvolver um robô que apoie na aquisição de imagens de ultrassons através de uma sonda transesofágica. O robô desenvolvido possui um conjunto de engrenagens que fazem a transferência de movimento para as rodas dos manípulos da sonda e um encoder magnético que proporciona uma leitura rápida e de alta precisão dos movimentos da sonda. De forma a automaticamente adaptar a posição da sonda na direção do alvo anatómico, um sistema de motion tracking foi acoplado ao robô e ao instrumento cirúrgico utilizado durante o procedimento. Assim, todos os movimentos realizados pelo intervencionista são repetidos pela sonda, permitindo assim adquirir uma imagem de ultrassom sempre centrada no instrumento cirúrgico.

Para avaliar a performance do robô foram realizados testes em laboratório.

mais concretamente: 1) controlo do robô sem sonda acoplada e 2) controlo do robô com sonda acoplada. Os testes foram realizados com diferentes posições angulares, em todas as gamas de funcionamento do robô, avaliando o erro da posição final em relação posição desejada e o tempo de resposta. Os resultados demonstraram que um erro médio de 2º foi observado para as diferentes situações com um tempo médio de resposta de 300 ms.

Os resultados alcançados demonstraram uma boa resposta do sistema, pelo que se espera que sistema desenvolvido venha ser capaz de reduzir o tempo de intervenção, aumentando a qualidade da intervenção e minimizando possíveis erros.

(10)

x tracking, controlo, ultrassom 4D

(11)

xi Abstract

Currently, the Man has a very little varied diet with large amounts of sugar and saturated fats, due to the increasingly competitive world of work and reduced amount of time to eat. Furthermore, new technology professions where jobs require long sitting periods without any physical effort lead to an abnormal accumulation of fat around all organs. This accumulation of fat leads to the appearance of cardiovascular problems, which are the main cause of death worldwide.

The treatment of the cardiovascular disease is in many cases performed through minimally-invasive procedures, which are guided through medical imaging. However, the use of radiation for the navigation is normally required (for example, X-ray) which has serious consequences for the patient.

In this thesis, we focus on recent image acquisition systems without radiation and the development of smarter systems to facilitate monitoring of this equipment during the procedure. Thus, we intend to develop a robot that supports the acquisition of ultrasound images through a transesophageal sonda.

The robot developed has a set of gears that makes the movement transfer to the handle wheel of the sonda and a magnetic encoder that provides a rapid and highly accurate reading of sonda movements. In order to automatically adapt the position of the sonda, a motion tracking system was attached to the robot and to the surgical instrument used during the procedure. Thus, all the movements performed by the interventionists are repeated by the sonda, thus acquiring an ultrasound image focused on the surgical instrument.

Tests were performed in the laboratory to evaluate the accuracy of the sonda driver.

Two different scenarios were used, namely: 1) robot control without the sonda attached, and 2) control of the robot with attached sonda. The tests were performed with different angular positions in all operating ranges of the robot, evaluating the error of the final position in relation to the desired response time to achieve the optimum angle. The results showed that an average error of 2 was observed for the different situations with an average response time of 300 ms, proving the accuracy and quick response of the system for surgical procedures.

Thus, it is expected that the developed system is able to reduce the intervention time, increasing the quality of the intervention and reducing possible errors.

Keywords: robotics, cardiovascular surgery, motion tracking, control, ultrasound 4D

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xiii

Índice

Lista de acrónimos e siglas ... xvii

Lista de figuras ... xix

Lista de Tabelas ... xxiii

1.1. Introdução ... 25

1.2. Raio X ... 26

1.3. Ressonância Magnética ... 27

1.4. Tomografia Axial Computorizada ... 27

1.5. Ultrassonografia ... 27

1.5.3. Modelos de sonda ... 29

1.5.3.1. Sectorial ... 29

1.5.3.2. Linear ... 30

1.5.3.3. Sonda Convexa ... 31

1.5.3.4. Doppler ... 32

1.5.3.6. Sonda Transesofágica ... 33

1.6. Motivação ... 36

1.7. Objetivos e Contribuições ... 37

1.8. Estrutura da Tese ... 37

3.1. Arquitetura do Sistema ... 50

3.2. Módulo Eletromecânico ... 53

3.2.2. Cálculo de rodas dentadas ... 53

3.2.3. Transmissão de Velocidade ... 57

3.2.4. Geometria das Rodas Dentadas ... 58

3.2.5. Estrutura de suporte das rodas dentadas ... 60

3.2.6. Módulo de interface com os botões da sonda... 61

3.2.7. Estrutura de suporte dos diferentes elementos do sistema eletromecânico ... 63

3.2.8. Sequência de Montagem ... 64

3.2.8.1. Montagem dos Eixos ... 64

3.2.8.2. Montagem do controlo dos botões ... 65

3.3. Módulo Eletrónico ... 66

3.3.1. Visão global ... 66

3.3.2. Primeiro Módulo Eletrónico ... 67

3.3.3. Módulo de potência ... 68

3.3.4. Encoders dos eixos X e Y ... 70

(14)

xiv

3.3.6. Módulo de comunicação ... 71

3.3.7. Controlador ... 72

3.3.8. Limites de funcionamento do robô ... 73

3.3.9. API de comunicação com o robô ... 74

CASO PRÁTICO DE APLICAÇÃO ... 78

4.1. Introdução ... 78

4.2. Módulo de interface com o utilizador ... 79

4.3. Sistema automático de correção do campo de visão da sonda ... 82

Representação dos eixos de cada dispositivo. ... 83

4.3.2. Ângulos resultantes do Aurora ... 86

CAPÍTULO 5 ... 89

RESULTADOS ... 89

5.1. Introdução ... 89

5.2. Testes do robô em vazio ... 89

5.2.1. Calibração do PID ... 89

5.3. Resultados com sonda Transesofágica ... 93

5.3.1. Calibração eixo Y ... 93

5.3.2. Calibração do eixo X ... 96

5.3.3. Movimento em simultâneo do eixo X Y ... 97

5.3.4. Movimento real da sonda transesofágica ... 98

5.3.5. Velocidade máxima ... 99

5.4. Caracterização do robô ... 100

5.4.1. Primeiro teste ... 101

5.4.2. Segundo teste ... 101

5.4.3. Terceiro teste ... 102

5.4.4. Quarto teste ... 103

5.4.5. Quinto teste ... 104

5.4.5.3. Movimento em simultâneo ... 105

5.5.1. Testes de calibração do controlador com valores desejados estáticos ... 106

5.5.2. Calibração eixo X Y ... 106

5.5.3. Estabilidade do controlador ... 108

CAPÍTULO 6 ... 109

DISCUSSÃO ... 109

CAPÍTULO 7 ... 111

CONCLUSÃO ... 111

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xv

(16)

xvi

(17)

xvii

Lista de acrónimos e siglas

PID- Proporcional Integral Derivativo RPM- rotações por minuto

PET - Polyethylene terephthalate

CNC- Comando numérico computadorizado API - Application Programming Interface

(18)

xviii

(19)

xix

Lista de figuras

Figura 1 - Mortes por causa em (a) elementos do sexo masculino e (b) elementos do sexo feminino[1]

25

Figura 2 - Maquina Vivid E9 da GE [7] 28

Figura 3 Diferentes tipos de arrays das sondas de ultrassom [8] 29

Figura 4 – Sonda Sectorial [9]: a) Sonda M5S-D; b) Sonda m5sC-D; c) Sonda 6s-d; d) Sonda 12s-d 30 Figura 5 - Sonda linear [9]:a) Sonda 9L-D; b) Sonda 11Ld; c) Sonda ML6-15-D 31 Figura 6 - Sonda convexa [9]: a) Sonda4c-D; b) Sonda c1-5-D; c) Sonda C2-9-D; d) Sonda 8C; e) Sonda

iC5-9-D 32

Figura 7 - Sonda doppler [9]: a) Sonda P2D; b) Sonda P2D 33

Figura 8 Sonda 4V-D [9] 33

Figura 9 Sonda Transesofágica [9]: a) Modelo utilizado Sonda 6Vt-D; b) Sonda 6Tc; c) Sonda 9T 34

Figura 10 Movimentos da sonda [13] 35

Figura 11 Numeração dos atuadores: A) Travão do movimento X-Y; B) Eixo X;C) Eixo Y;D) Varrimento do volume 3D para a esquerda; E) Foto; F) Varrimento do volume 3D para a direita. 36

Figura 12 Robô Vinci[24] 42

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] 43

Figura 14 Robô Kymerax 43

Figura 15 EndoRobot [23] 44

Figura 16 Transição de movimento: 3) Roda movida; 2) roda motriz; 1) Servo Motor [23] 45

Figura 17 Manípulos da sonda endoscópica 46

Figura 18 Engrenagem dos Motores [25] 46

Figura 19 Representação esquemática 47

Figura 20 Thoracoscopy[25] 48

Figura 21 Toracoscópio 48

Figura 22 Visão global da aplicação do sistema no bloco operatório 51 Figura 23 – Ilustração do diagrama de blocos do sistema desenvolvido 52

Figura 24 Robô final 52

Figura 25 Exemplo de rodas relação de movimento em relação ao diâmetro 57

Figura 26 Modulo eletrónico (154:1 Metal Gearmotor 20Dx44L mm) 58

Figura 27 Representação das rodas dos eixos: A) Roda motriz (Motor); B) roda movida (Manipulo da 59

Figura 28 Rodas do robô 60

(20)

xx

Figura 30 Posição das rodas 61

Figura 31 Entrada da sonda 61

Figura 32 módulo de interface com os botões da sonda: A) movimento rotativo; B) movimento linear.

62 Figura 33 Representação controlo lateral dos botões: A) Varrimento do volume 3D para a esquerda; B)

Varrimento do volume 3D para a direita; C) Tirar amostras de imagem que estão a ser

visualizadas 62

Figura 34 Modulo de interface com os botões da sonda 63

Figura 35 Representação 3D do módulo eletromecânico 63

Figura 36 Entrada da sonda: A-B) Sentido para inserir a sonda 64

Figura 37 Montagem dos eixos 65

Figura 38 Sequência de montagem de controlo dos botões 66

Figura 39 Representação do módulo eletrónico 67

Figura 40 Placa de controlo: a) Placa de controlo de Top; b) Placa de controlo Bottom; c) Placa de

controlo real 68

Figura 41 Esquema de ligações Atmega 238 68

Figura 42 Drive X-Y:A) pino D6; B) pino D2; C) pino D11; D) pino D6; E) pino D3; D) pino D5 69

Figura 43 Drive de controlo real: a) Eixo X; b) Eixo Y 70

Figura 44 Esquema de ligações VNH2SP30-E 70

Figura 45 a) Encoder AS5048; b) Esquema de ligações AS5048 71

Figura 46 a)Drive de controlo de botões de sonda desenho eagle: b) Esquema de ligações; c) Placa real 71 Figura 47 Modulo de comunicação eagle; b)Esquemas de ligações; c) Placa comunicação real 72 Figura 48 Diagrama de blocos de um sistema de malha fechada: A) Valor desejado; B) Processo; C)

Feedback, Valor dos sensores (Encoder); D) Resultado da resposta 73

Figura 49 Limites de funcionamento do robô 73

Figura 50 Fluxo de comunicação com através da API: A) Interface com o utilizador; B) API; C) Robô 74

Figura 51 Resultado final do robô da sonda 76

Figura 52 Ilustração do diagrama de blocos do sistema de controlo automático da sonda 79

Figura 53 Interface com utilizador 81

Figura 54 Menu sistema de motion tracking: A) Conectar Aurora; B) Menu de configurações; C)

Parâmetros de configuração 82

Figura 55 Representação dos eixos de coordenadas: a)Aurora NDI; b) Agulha; c) Sonda 84 Figura 56 ilustração das transformações aplicadas pelo método de calibração 86

Figura 57 Calibração dos ângulos para a posição home 87

Figura 58 Calibração do eixo: a) Calibração Y; b) Calibração X 87

Figura 59 PID libre 90

(21)

xxi

Figura 60 Resposta do controlador do eixo X em vazio 91

Figura 61 Resposta do controlador do eixo Y em vazio 91

Figura 62 Resposta do controlador com movimento simultâneo dos eixos no mesmo sentido 92 Figura 63 Resposta do controlador com movimento simultâneo dos eixos em sentidos opostos 92

Figura 64 Melhor resultado para o movimento para a direita 94

Figura 65 Melhor resultado para o movimento para a esquerda 94

Figura 66 Resultados do PID genérico 95

Figura 67 Erro 95

Figura 68 Movimento da sonda: a) Movimento esquerda; b) Movimento direita; c) Posição home 96

Figura 69 resultados do PID genérico – eixo X 97

Figura 70 Movimento da Sonda: a) Movimento a cima; b) Movimento para baixo 97

Figura 71 Resposta do movimento simultâneo cima-direita 98

Figura 72 Resposta do movimento simultâneo baixo-esquerda 98

Figura 73 Movimento simultâneos: a) baixo-esquerda; b) cima-direita 99

Figura 74 Reposta do PID 99

Figura 75 Simulação em Y 104

Figura 76 Simulação em X 105

Figura 77 Simulação em simultâneo 105

Figura 78 Setup de teste desenvolvido. 106

Figura 79 Movimentos do eixo Y: a) Direita; b) Esquerda 107

Figura 80 Movimento dos X:a) Cima; b) Baixo 108

(22)

xxii

(23)

xxiii

Lista de Tabelas

Tabela 1 Trama API ... 75 Tabela 2 Tabela de transformação de quaterniões para yaw, pitch e roll ... 84 Tabela 3 Valores estáticos com sonda ... 93 Tabela 4 Movimento individual dos eixos ... 101 Tabela 5 Iniciar movimento dos eixos ... 102 Tabela 6 Tempos de resposta ... 103 Tabela 7 Movimento em simultâneo ... 103 Tabela 8 Calibraçâo robô setup ... 106

(24)

xxiv

(25)

25

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1. Introdução

O estudo e rastreio da atividade cardíaca é nos dias de hoje uma das principais áreas de investigação. Um estudo presente em 2008 (figura 1) sugere que a principal causa de morte (aproximadamente 50% do número total de mortes) em países europeus está relacionado com o sistema cardiovascular, onde se realçam as doenças das coronárias[1].

Figura 1 - Mortes por causa em (a) elementos do sexo masculino e (b) elementos do sexo feminino[1]

Estas doenças devem-se essencialmente à acumulação de gorduras na parede dos vasos sanguíneos, as quais levam a uma redução ou bloqueio total do fluxo

(26)

26 sanguíneo normal, o qual resulta em graves consequências para o paciente tais como:

enfarte do miocárdio, acidente vascular cerebral e morte. A maior parte das doenças cardiovasculares resulta de um estilo de vida inapropriado e ou problemas genéticos [1].

A cardiologia de intervenção é uma sub-especialidade médica responsável pelo tratamento de diversas doenças cardiovasculares através de técnicas minimamente invasivas baseadas em cateterismo cardíaco. Este tipo de técnicas cirúrgicas não requerem grandes incisões, comuns em procedimentos de peito aberto, uma vez que um acesso vascular é usado para realizar o procedimento. Desta forma, estas técnicas apresentam várias vantagens, nomeadamente: menores custos, procedimentos mais rápidos, menores períodos pós-operatórios e procedimentos com menos riscos.

Contudo, meios suplementares ao diagnóstico e de guiamento baseados em técnicas de imagem médica de alta resolução, nomeadamente Raio-X e Ultrassonografia durante a intervenção e Ressonância Magnética (RM) e Tomografia Computorizada (TC) são sempre requeridos ao longo de todo o procedimento.

1.2. Raio X

O Raio-X é um processo de imagem frequentemente utilizado na medicina, sendo apenas ultrapassado pela ultrassonografia. Enquanto a utilização destas ondas de alta energia são excelentes para a visualização de estruturas densas, como por exemplo os ossos, o reconhecimento dos órgãos de tecido mole é menos preciso [2].

Foi este problema que estimulou pesquisas sobre a aplicação de agentes de contraste que facilitem a distinção de detalhes dentro e entre órgãos. Dois órgãos de densidade e número atómico médio semelhantes não são distinguíveis com Raio-X.

Os meios de contraste são, portanto, necessários para criar um contraste artificial entre o órgão a ser diagnosticado e o tecido circundante. Todos os agentes contraste são baseados no princípio de suspensão ou solução atóxica que contém proporção significativa de elementos com alto número atómico - como o meio de contraste contendo iodo. Assim, quando os Raios-X atingem o iodo presente nestes agentes, uma área branca irá aparecer imagem criada, permitindo assim observar com mais detalhe essa região anatómica [2].

(27)

27

1.3. Ressonância Magnética

Ressonância Magnética é uma ferramenta médica que permite visualizar o interior do corpo humano com elevada resolução e níveis de contraste. A imagem obtida fornece aos médicos uma quantidade de informações detalhadas sobre a localização, tamanho e composição do tecido corporal a ser examinado. Este conhecimento pode ser decisivo no estabelecimento de um diagnóstico preciso[3].

A aquisição é baseada nas propriedades magnéticas dos átomos de hidrogénio que constituem todas as substâncias - incluindo o corpo humano. Assim, num campo magnético forte, como o produzido pelo scanner da RM, estes átomos serão todos alinhados sendo posteriormente medido o tempo de relaxamento destas estruturas.

Esse período de relaxamento é detetado por uma antena circular ao redor do paciente.

A intensidade do sinal vária de acordo com o tipo de tecido. Por fim, um computador combina todos os sinais detetados e transforma-os numa imagem [3].

1.4. Tomografia Axial Computorizada

Esta técnica angiográfica por via endovenosa permite estudar a circulação coronária, substituindo o cateterismo cardíaco em casos selecionados. Como o coração tem muito movimento, é fundamental obter as imagens num curtíssimo período de tempo e com os batimentos cardíacos. Por isso, esta técnica é exclusiva dos aparelhos de máxima resolução tempo-espacial [4].

A preparação deste exame depende da parte do corpo que se pretende observar, contudo na maioria dos casos não necessita de qualquer preparação especial[5].

Existem casos que pode ser necessário o uso de contraste para obtermos maior detalhe da zona a examinar. Por exemplo, um TAC abdominal ou pélvico requer o uso de materiais de contraste, administrados por via oral para permitir uma melhor visualização do tubo gastrointestinal. Em outras situações também será útil a administração de produtos de contraste endovenosos[5].

1.5. Ultrassonografia

A ultrassonografia é um método diagnóstico amplamente utilizado para avaliar órgãos, tecidos moles e fluxo sanguíneo. Trabalha por ondas sonoras de alta

(28)

28 frequência enviadas ao corpo por um transdutor pressionado contra a pele do paciente. Este transdutor também recebe as ondas sonoras refletidas do tecido e sangue como um eco. Estes ecos são convertidos pelo ultrassom em imagens de tempo real que podem ser vistas no monitor ao lado do paciente[6].

Devido ao baixo tempo de aquisição, este sistema fornece imagem que sofre de vários artefactos e de baixo contraste o que torna o diagnóstico inconclusivo em várias situações. Nesses casos, o médico pode usar um meio de contraste para melhorar as imagens da ultrassonografia e obter um diagnóstico mais preciso. Isto pode evitar a realização de exame adicional utilizando-se técnicas de imagem anteriormente explicadas [6].

1.5.1. Máquina de ultrassons em estudo

A Vivid E9 é o primeiro sistema de ultrassom cardiovascular da GE Healthcare construído especificamente para 4D. A Vivid E9 fornece as ferramentas para ajudar a simplificar o fluxo de trabalho, aumentar a produtividade, e fornecer os dados necessários para diagnósticos confiáveis [7]. (ver figura 2).

Figura 2 - Maquina Vivid E9 da GE [7]

1.5.2. Sondas utilizadas na ultrassonografia

As sondas utilizadas atualmente são ultrassensíveis com tecnologia MultiHertz, ou seja, são sondas multifrequência de banda larga e com a possibilidade de integrarem a imagem harmónica [8].

A Tecnologia Hanafy lens permite a formação do feixe de ultrassons, o mais uniforme possível, possibilitando uma melhor resolução da imagem em profundidade.

(29)

29 Em função do transdutor utilizado podem ser selecionadas até cinco frequências (2D e harmónica), duas frequências de cor e doppler espectral [8].

As sondas variam de acordo com o tipo de estruturas que se pretende visualizar. Estas podem classificar-se em seis tipos diferentes de acordo com a sua ergonomia: lineares, convexas, sectoriais, endocavitárias. As três primeiras são as mais usuais, definindo as três principais técnicas de aquisição de imagem[8] (ver imagem 3).

Figura 3 Diferentes tipos de arrays das sondas de ultrassom [8]

A E9 Vivid com XDclear oferece uma ampla gama de transdutores para ajudar a atingir imagens detalhadas das diferentes estruturas anatómicas, cardíaca, vascular, abdominal, pediátrica, neonatal, coração fetal, obstétrica, ginecológica, urológica, entre outras [9].

1.5.3. Modelos de sonda

1.5.3.1. Sectorial

Na sonda sectorial (ver figura 4), a linha de ultrassom oscila em torno de um ponto fixo, formando-se uma imagem sectorial. Atualmente esta oscilação é realizada eletronicamente pelas sondas phased array, por intermédio de um microprocessador que determina qual o cristal que envia o ultrassom, a sua duração e a sequência com que os outros cristais devem ser ativos. Ainda tem a potencialidade de adquirir ecos de modo 2D em simultâneo, não possui uma imagem tão boa quanto a obtida pelas outras sondas [8].

(30)

30 Como estas sondas têm um pequeno footprint, isto é, uma pequena área de contacto sob a zona de interesse, para aquisição da imagem sectorial, esta é a sonda mais utilizada para realizar exames sob condições anatómicas difíceis, tal como na ecocardiografia [8].

a) b)

c) d)

Figura 4 – Sonda Sectorial [9]: a) Sonda M5S-D; b) Sonda m5sC-D; c) Sonda 6s-d; d) Sonda 12s-d

1.5.3.2. Linear

A sonda linear (Ver figura 5) é composta por pequenos cristais dispostos linearmente, que são ativos de forma sequencial, produzindo assim o feixe de ultrassons. Criando uma imagem retangular a partir das linhas paralelas de ultrassons.

Estas sondas geralmente não são usadas em ecocardiografia devido ao tamanho do transdutor, que dificulta o seu posicionamento nos espaços intercostais. Deste modo, são vulgarmente usadas em estudos vasculares e exames músculo esqueléticos.

Recentemente, a maioria das sondas lineares têm a possibilidade de ter o formato virtual o que permite aumentar a dimensão da imagem em profundidade[8].

(31)

31

a) b)

c)

Figura 5 - Sonda linear [9]:a) Sonda 9L-D; b) Sonda 11Ld; c) Sonda ML6-15-D

1.5.3.3. Sonda Convexa

A sonda convexa (Ver figura 6) é composta por múltiplos cristais, que são ativados sequencialmente. Utiliza um array convexo, isto é, um array linear curvo em forma de um arco convexo com um ponto de origem a uma distância acima da área de contacto, dependendo do raio da curvatura. Este tipo de sondas combina as vantagens do varrimento sectorial em regiões mais profundas do corpo, com as vantagens do array linear em regiões superficiais, consegue gerar um campo de imagem mais largo a partir de um transdutor mais pequeno. As sondas convexas são as sondas preferenciais para os exames abdominais[8]

(32)

32

a) b)

c) d)

e)

Figura 6 - Sonda convexa [9]: a) Sonda4c-D; b) Sonda c1-5-D; c) Sonda C2-9-D; d) Sonda 8C; e) Sonda iC5-9-D

1.5.3.4. Doppler

O ultrassom com doppler é um exame diagnóstico que utiliza ondas de ultrassom para adquirir imagens dos vasos sanguíneos. Essas imagens mostram como o sangue está a fluir através dos vasos e a velocidade do fluxo de sangue. O ultrassom com doppler produz imagens coloridas que mostram ao médico os locais onde existe bloqueio do fluxo de sangue devido a problemas nos vasos, como por exemplo, em consequência de depósitos de colesterol. Esse exame é realizado externamente e não envolve a injeção de contraste ou a introdução de agulhas ou cateteres e não causa dor nem efeitos colaterais[10] (ver figura 7).

a) b)

(33)

33 Figura 7 - Sonda doppler [9]: a) Sonda P2D; b) Sonda P2D

1.5.3.5. Volumétrica

O modo Real Time 4D (4D em tempo real) é conseguido através da captação de volume em tempo real. No modo Real Tim 4D, a sonda de capta um volume e em simultaneamente a sonda faz a demostração da imagem[11].

Depois de congelar, o tamanho da imagem pode ser regulado manualmente ou reproduzido no volume [11]. (Ver figura 8)

Figura 8 Sonda 4V-D [9]

1.5.3.6. Sonda Transesofágica

O posicionamento da sonda no tubo digestivo alto (esófago) é inserido a partir da imagem obtida no ecrã do ecógrafo cardiógrafo. A extremidade distal da sonda é flexível e dotada de dois mecanismos de controlo que permitem movimentos de anteflexão e retroflexão, além de deslocamentos laterais. Outros movimentos necessários para melhorar e direcionar o feixe de ultrassom na estrutura, incluem, o ato de avançar ou retroceder da sonda, além de movimentos de rotação horária ou anti-horário[12] (Ver figura 9).

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34 a)

b)

c)

Figura 9 Sonda Transesofágica [9]: a) Modelo utilizado Sonda 6Vt-D; b) Sonda 6Tc; c) Sonda 9T

Atualmente, a maioria das sondas é multiplano, o que permite a avaliação com maior nível de detalhes das estruturas cardíacas, uma vez que é possível, com essa tecnologia, a rotação axial de 0° a 180° no plano da imagem sem a necessidade de deslocamento da sonda (Figura 10)[13].

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35 Figura 10 Movimentos da sonda [13]

São quatro os principais posicionamentos da sonda que possibilitam a obtenção da maioria dos cortes eco cardiográficos necessários à avaliação efetiva no intraoperatório. A posição da extremidade do transdutor é orientada levando-se em conta a distância introduzida da sonda a partir da arcada dentária superior.

Os planos são: esófago superior (20- 25 cm), esófago médio (30-40 cm), transgástrico (40-45 cm) e transgástrico profundo (45-50 cm). Em cada um dos planos, é possível obter várias imagens eco cardiográficas[13].

A introdução da sonda deve respeitar os seguintes cuidados: 1) a sonda deve ser inspecionada conferindo-se a integridade estrutural e limpeza; 2) os controlos devem estar destravados 3) deve ser colocado o bocal (protetor de mordida) para impedir a ocorrência de danos dentários, lesões na língua ou na gengiva; e, 4) a sonda deve ser lubrificada com gel hidrossolúvel antes de ser introduzida[13].

1.5.3.7. Sonda Transesofágica Utilizada

A sonda utilizada neste trabalho foi a Sonda 6Vt-D.

A sonda transesofágica tem limitações nos movimentos dos eixos X e Y, as limitações da sonda são originadas pela sua fabricação. Os movimentos dos manípulos são realizados através de pequenos cabos de aço, que fazem movimentar a ponta de probe da sonda. A sonda transesofágica é composta por peças móveis que permitem o movimento dos eixos X-Y, da ponta da sonda e botões laterais. Quanto a estes, dois servem para fazer o varrimento do volume 3D adquirido pela sonda e um terceiro botão para tirar fotos das imagens visualizadas no ecrã da máquina (Ver figura 11).

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36 Figura 11 Numeração dos atuadores: A) Travão do movimento X-Y; B) Eixo X;C) Eixo Y;D) Varrimento do volume 3D para a esquerda; E) Foto; F) Varrimento do volume 3D

para a direita.

1.6. Motivação

Atualmente, nas cirurgias de intervenção cardíacas guiadas por ultrassonografia 4D é necessário um radiologista e um intervencionista. O radiologista, controla os movimentos da sonda de forma a promover a melhor visualização possível do alvo anatómico. Já o intervencionista, usa as imagens produzidas em tempo real do alvo anatómico e procura realizar os diferentes passos do procedimento. Contudo, nem sempre a imagem que está a ser produzida é a imagem que o médico intervencionista precisa naquele instante para realizar com sucesso a sua tarefa. Pelo que este, tem a necessidade de dar indicações ao médico radiologista sobre a posição e orientação da sonda ou sobre a região da estrutura anatómica que este necessita visualizar com mais detalhe naquele instante. Esta comunicação nem sempre é alcançada da melhor forma, o que dificulta o sucesso e celeridade do procedimento.

Este aspeto, deve-se essencialmente às diferentes interpretações que as mensagens podem ter, ou seja, quando o intervencionista pede por exemplo para mover a imagem ligeiramente para esquerda, a esquerda da sonda pode ser pode ser a direita da imagem, assim como, a orientação de um pode ser diferente da orientação do outro.

Desta forma, o desenvolvimento de um sistema standard de comunicação que interprete as instruções sempre da mesma forma ou que consiga manter de forma automática o campo de visão da sonda centrado com o alvo anatómico poderá

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37 constituir-se como uma mais valia, que certamente trará melhoramentos significativos neste tipo de intervenções cirúrgicas guiadas, tais como, maior facilidade na identificação e seguimento do alvo anatómico, redução do tempo de bloco operatório e eficácia do procedimento.

1.7. Objetivos e Contribuições

O presente trabalho foca-se no desenvolvimento de uma framework para controlo intuitivo dos movimentos de uma sonda transesofágica 4D, presente nos sistemas de ultrassonografia utilizados em cirurgia de intervenção ao coração. Este sistema irá dispor de dois modos de controlo para orientar a ponta da sonda: tracking automático - através da sua associação a um sistema de motion tracking que monitorizará a posição e orientação da ponta da sonda e de um cateter; e, reconhecimento de comandos, de voz.

As principais tarefas/contribuições do presente trabalho são as seguintes:

 Estudo do estado da arte de métodos de tracking de cateteres.

 Desenvolvimento de um dispositivo eletromecânico para manipular os 2 graus de liberdade do sistema controlo manual da sonda transesofágica, que incluiu:

o Módulo eletromecânico com 4 graus de liberdade;

o Módulo eletrónico de atuação e controlo dos eixos do módulo eletromecânico;

o API de comunicação;

 Desenvolvimento de um software que estabelece a ligação a sistemas de motion tracking e interprete a posição e orientação relativa dos sensores que encontrarão associados à ponta da sonda e na ponta do cateter; e que apresente uma interface simples e intuitiva com o utilizador.

1.8. Estrutura da Tese 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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38 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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39

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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40

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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41 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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43 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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44 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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45 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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46 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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47 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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48 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).

Figura 21 Toracoscópio

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CAPÍTULO 3

DESENVOLVIMENTO DE UM ROBÔ PARA MANIPULAÇÃO DA

SONDA TRANSESOFÁGICA

3.1. Arquitetura do Sistema

Atualmente, o controlo da sonda transesofágica não é simples, exigindo normalmente um especialista só para manipular o instrumento. Assim, a cirurgia obriga a ter um intervencionista, que controla a agulha e outro que está a controlar a posição e orientação da sonda. Obviamente, que a comunicação entre os dois especialistas pode levar a procedimentos mais demorosos.

Desta forma, pretende-se desenvolver um sistema automático para controlo da orientação e posição da sonda, diminuindo a necessidade de um segundo operador e minimizando as falhas de comunicação entre os dois (ver figura 22). O que propomos é que o intervencionista, que controla o instrumento cirúrgico (por exemplo, agulha ou cateter) passe a utilizar o instrumento com um sensor de motion tracking acoplado. A

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51 sonda também terá acoplado um sensor do mesmo tipo na ponta. Desta forma, podemos referenciar o mundo da sonda com o da agulha, permitindo que os movimentos da agulha possam ser acompanhados pela ponta da sonda, onde o intervencionista terá sempre ao seu dispor a visualização da região de interesse, uma vez que, a sonda irá movimentar-se de forma a compensar variações da posição da agulha.

Para aplicação deste sistema no bloco operatório, terá que ser colocado um sensor de motion tracking no interior do corpo do doente. Este deverá acompanhar os movimentos do alvo anatómico e sofrer as perturbações provocadas pelo ciclo cardíaco e respiratório. Já a sonda, com um sensor de motion tracking acoplado à sua cabeça, será introduzida pela boca até se encontrar numa posição que permita no seu campo de visão visualizar as estruturas que serão intervencionadas. Esta, será controlada por um robô que procurará de forma automática, movimentar a cabeça da sonda de acordo com os movimentos do sensor colocado no alvo anatómico.

Figura 22 Visão global da aplicação do sistema no bloco operatório

O robô desenvolvido para manipular os movimentos da cabeça da sonda será descrito ao longo deste capítulo. Para a sua conceção foi desenvolvido as componentes mecânicas, eletrónicas, de controlo e comunicação (ver figura 23 e 24).

Como podem ver pela figura 23, o cateter é inserido no paciente pela artéria até chegar ao alvo anatómico; o segundo cateter é inserido pelo esófago e vai junto a probe. Ambos os cateteres estão referenciados pelo sistema de motion tracking, os dados são enviados para o PC. Após os dados serem processados, são enviados para

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52 o robô através de uma comunicação sem fios. O robô recebe a posição angular e compara a posição atual do encoder e os valores recebidos, calcula a sua diferença, e decide para que lado deve acionar os motores para minimizar o erro.

Figura 23 – Ilustração do diagrama de blocos do sistema desenvolvido

Figura 24 Robô final

Referências

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