Sistema de Simulación de la Iluminación Abdominal Basado en Mini Robots

Resumen

Introducción: Este documento muestra un sistema que simula la iluminación de la escena abdominal en operaciones de laparoscopia utilizando mini robots. Los mini robots estarían atados magnéticamente a la cavidad abdominal y serían manipulados por un brazo robot externo. Dos algoritmos son probados en este sistema: uno que mueve al mini robot de acuerdo al movimiento del endoscopio, y otro que lo mueve a partir de un análisis de la imagen captada por la escena. Objetivo: Contribuir a la iluminación de la escena quirúrgica por medio de mini robots atados magnéticamente a la cavidad abdominal. Metodología: Se desarrolló una herramienta software por medio de Unity3D, la cual simula el interior del abdomen en operaciones de laparoscopia, agregándosele una nueva iluminación: un mini robot tipo luz anclado magnéticamente a la pared abdominal. El mini robot tiene dos movimientos diferentes para iluminar la escena, uno depende del movimiento del endoscopio y otro del análisis de imagen realizado.  Resultados: Se realizaron pruebas con una representación del entorno real comparándola con las pruebas en la herramienta construida, obteniéndose resultados similares y mostrando el potencial que tiene un mini robot para proporcionar una iluminación adicional al cirujano en caso de ser necesario.   Conclusiones: El algoritmo diseñado permite que un mini robot que estaría anclado magnéticamente a la pared abdominal, se mueva a zonas de baja iluminación siguiendo dos opciones: una relación geométrica o un movimiento como resultado de un análisis de imagen.

Palabras clave: Análisis de imagen, Mini robots, Mini robots lumínicos, Robótica quirúrgica, Unity3D

Referencias

D. Ruiz-Navas, et al. "Cirugía robótica mínimamente invasiva: análisis de fuerza y torque". Revista Ingeniería Biomédica, vol. 4, No. 8, pp. 84-92, Apr. 2014. http://repository.eia.edu.co/handle/11190/492.

G. Galloso & R. Frías, “Consideraciones sobre la evolu-ción histórica de la cirugía laparoscópica: colecistectomía”. Revista Médica Electrónica, vol. 32, pp. 0-0, Dic. 2010. http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1684-18242010000700004&lng=es&tlng=pt.

C. Brunicardi. Schwartz principios de cirugía, 10th ed. México: McGraw-Hill Interamericana, 2015.

P. Ricci, et al. "Desarrollo de la cirugía laparoscópica: pasado, presente y futuro: desde Hipócrates hasta la introduc-ción de la robótica en laparoscopía ginecológica." Revista chilena de Obstetricia y Ginecología, vol. 73, no. 1, pp. 63-75, 2008. http://dx.doi.org/10.4067/S0717-75262008000100011.

S. Longmore, et al. “Laparoscopic Robotic Surgery: Current Perspective and Future Directions”. Robotics, vol. 9, no 2, pp. 42, 2020. https://doi.org/10.3390/robotics9020042

M. Tiwari, et al. "In vivo miniature robots for natural orifice surgery: State of the art and future perspectives”. World journal of gastrointestinal surgery, vol. 2, no. 6, pp. 217, Jun. 2010. http://10.4240/wjgs.v2.i6.217.

J. Raman, et al. "Single‐incision laparoscopic surgery: initial urological experience and comparison with natural‐orifice transluminal endoscopic surgery”. BJU international, vol. 101, no.12, pp. 1493-1496, Mar. 2008. https://doi.org/10.1111/j.1464-410X.2008.07586.x.

J. Aguilar, et al. “Historia y situación actual de la cirugía endoscópica por orificios naturales en nuestro país”. Cirugía Española, vol. 88, no 4, pp. 222-227, Oct. 2010. https://doi.org/10.1016/j.ciresp.2010.03.046.

B. Peters, et al. « Review of emerging surgical robotic technology”. Surgical endoscopy, vol 32, no. 4, pp. 1-20, Feb. 2018. https://doi.org/10.1007/s00464-018-6079-2.

T. Wortman, “Design, analysis, and testing of in vivo surgical robots”, M.Sc. Dept. Mech. And Mat. Eng., Univ. of Nebraska, Lincoln, NE, 2011.

M. Rentschler & D. Oleynikov, “Recent in vivo surgical robot and mechanism developments”, Surgical endoscopy, vol. 21, no 9, pp. 1477-1481, Sep. 2007. https://doi.org/10.1007/s00464-007-9338-1.

M. Cuevas-Rodríguez, et al. “Integración de una plata-forma robótica de asistencia al cirujano en operaciones lapa-roscópicas de puerto único” presentado en XXXV Jornadas de Automática, Valencia, España, 2014.

I. Rivas-Blanco, et al. “Diseño de un asistente camarógra-fo para técnicas de cirugía laparoscópica por puerto único” presentado en XXXV Jornadas de Automática, Valencia, España, 2014.

Proyecto MARCUS [Online]. Disponible: http://www.roboticamedica.uma.es/marcus/INDEX.PHP/.

M.C Chaparro, O.A Vivas, “Tool for optimum illumina-tion of the abdominal cavity in laparoscopic surgeries using lighting mini robots” presentado en 2016 IEEE Colombian Conference on Robotics and Automation (CCRA). Bogotá, pp. 1-5, 2016. https://doi.org/10.1109/ccra.2016.7811405.

C.A Suarez. Cirugía Laparoscópica (Surgical Laparosco-py): Jorge Cueto Garcia and Alejandro Weber Sanchez (eds.) 665 pp. McGraw-Hill Interamericana, 1998.

I. Halim, & A. Tavakkolizadeh. “NOTES: The next surgical revolution?” International Journal of Surgery, vol. 6, No. 4, pp. 273-276, 2008. https://doi.org/10.1016/j.ijsu.2007.10.002.

D. Vera & A. Vivas. “Ambiente virtual para el entrena-miento de cirugías laparoscópicas utilizando robots”. Presen-tado en Pan American Health Care Exchanges. Medellín, Colombia. 2013

S. Tognarelli et.al. “A miniaturized robotic platform for natural orifice transluminal endoscopic surgery: in vivo validation”. Surgical endoscopy, vol. 29, no. 12, pp. 3477-3484, 2015. https://doi.org/10.1007/s00464-015-4097-x.

B.P.M Yeung & T. Gourlay. “A technical review of flexible endoscopic multitasking platforms”. International journal of surgery, vol. 10, no. 7, pp. 345-354, 2012. https://doi.org/10.1016/j.ijsu.2012.05.009.

ViaCath diagnostic catheters [Online]. Dis-ponible://www.biotronik.com/sixcms/media.php/136/ViaCath_EN.pdf.

R. Sotelo, et. al. “Laparoendoscopia por acceso único: experiencia inicial”. Actas Urológicas Españolas, vol. 33, no. 2, pp. 172-181, 2009. https://doi.org/10.1016/s0210-4806(09)74119-1.

Opensurg, Consorcio. ROBOTICA MEDICA notas prácticas para el aprendizaje de la robótica en bioingenierıa, 2013.

S. Martel. “Journey to the center of a tumor”. IEEE Spectrum, vol. 49, no 10, pp. 48-53. 2012. https://doi.org/10.1109/mspec.2012.6309256.

R. Bogue. “Miniature and microrobots: a review of recent developments”. Industrial Robot: An International Journal, vol. 42, no. 2, pp.98-102, 2015. https://doi.org/10.1108/ir-11-2014-0409.

A. Forgione. “In vivo microrobots for natural orifice transluminal surgery. Current status and future perspectives”. Surgical Oncology, vol. 18, no.2, pp. 121-129, 2009. https://doi.org/10.1016/j.suronc.2008.12.006

B. Chen, et al. “A biomimetic spermatozoa propulsion method for interventional micro robot”. Journal of Bionic Engineering, vol. 5, pp. 106-112, 2008. https://doi.org/10.1016/S1672-6529(08)60080-3

K. Tokida, et al. “A bio-inspired robot using electro-conjugate fluid”. Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 25, no 1, pp. 16-24, 2013. https://doi.org/10.20965/jrm.2013.p0016

J. Eid & D. Oleynikov. “Cooperative and Miniature Robotics: Potential Applications in Surgery”. In Digital Surgery. Springer, Cham. pp. 269-273. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49100-0_20

M. Simi, et al. “Magnetic mechanism for wireless capsule biopsy”. J. Med. Devices, vol. 6, no 1, pp. 017611, 2012. https://doi.org/10.1115/1.4026789

S. Ueno, et al. “Micro inchworm robot using electro-conjugate fluid”. Sensors and Actuators A: Physical, vol. 216, pp. 36-42, 2014. https://doi.org/10.1016/j.sna.2014.04.032

J.D Raman, D.J Scott & J. Cadeddu. “A. Role of mag-netic anchors during laparoendoscopic single site surgery and NOTES”. Journal of endourology, vol. 23, no 5, pp. 781-786, 2009. https://doi.org/10.1089/end.2008.0033

S. Tognarelli, et al. “An endoluminal robotic platform for Minimally Invasive Surgery”. Presentado en 2012 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). IEEE, pp. 7-12, 2012. https://doi.org/10.1109/BioRob.2012.6290731

B.S Terry, et al. “Single-port-access surgery with a novel magnet camera system”. IEEE transactions on biomedical engineering, vol. 59, no 4, pp. 1187-1193, 2012. https://doi.org/10.1109/TBME.2012.2187292

J.C Kuo, et al. “A hydrogel-based intravascular mi-crogripper manipulated using magnetic fields”. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, vol. 211, p. 121-130, 2014. https://doi.org/10.1016/j.sna.2014.02.028

J. Cadeddu, et al. “Novel magnetically guided intra-abdominal camera to facilitate laparoendoscopic single-site surgery: initial human experience”. Surgical endoscopy, vol. 23, no 8, pp. 1894-1899, 2009. https://doi.org/10.1016/s0022-5347(09)60900-9

S.L Best, et al. “Magnetic anchoring and guidance system instrumentation for laparo-endoscopic single-site sur-gery/natural orifice transluminal endoscopic surgery: lack of histologic damage after prolonged magnetic coupling across the abdominal wall”. Urology, vol. 77, no 1, pp. 243-247, 2011. https://doi.org/10.1016/j.urology.2010.05.041

N.A Arain, et al. “Magnetically anchored camera and percutaneous instruments maintain triangulation and improve cosmesis compared with single-site and conventional laparo-scopic cholecystectomy”. Surgical endoscopy, vol. 26, no 12, pp. 3457-3466, 2012. https://doi.org/10.1007/s00464-012-2354-9

R. Steinberg, et al. “Magnet-Assisted Robotic Prostatec-tomy Using the da Vinci SP Robot: An Initial Case Series”. Journal of endourology, vol. 33, no 10, pp. 829-834, 2019. https://doi.org/10.1089/end.2019.0263

D. Oleynikov, et al. “Miniature robots can assist in laparoscopic cholecystectomy”. Surgical Endoscopy and Other Interventional Techniques, vol. 19, no 4, pp. 473-476, 2005. https://doi.org/10.1007/s00464-004-8918-6

G. Yin, et al. “Laparoendoscopic single site (LESS) in vivo suturing using a magnetic anchoring and guidance system (MAGS) camera in a porcine model: impact on ergo-nomics and workload”. Urology, vol. 81, no 1, pp. 80-84, 2013. https://doi.org/10.1016/j.urology.2012.09.018

M. Karimi, et al. “Magnetically anchored pan-tilt stereo-scopic robot with optical-inertial stabilization for minimally invasive surgery”. In Medical Imaging 2019: Image-Guided Procedures, Robotic Interventions, and Modeling. Internation-al Society for Optics and Photonics, pp. 109511E, 2019. https://doi.org/10.1117/12.2513019

Virtual Incision [Online]. Disponible en https://virtualincision.com/.

D. Stoyanov, D. Elson & G.Z Yang. “Illumination position estimation for 3D soft-tissue reconstruction in robotic minimally invasive surgery”. Presentado en 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE, pp. 2628-2633, 2009. https://doi.org/10.1109/IROS.2009.5354447

R.T Shimotsu & C.G Cao. “The effect of color-contrasting shadows on a dynamic 3-D laparoscopic surgical task”. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics-Part A: Systems and Humans, vol. 37, no 6, pp. 1047-1053, 2007. https://doi.org/10.1109/tsmca.2007.904738

D. Pakhomov, et al. “Deep residual learning for instru-ment segmentation in robotic surgery”. Presentado en Interna-tional Workshop on Machine Learning in Medical Imaging. Springer, Cham, pp. 566-573, 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-030-32692-0_65

S. Tchoulack, J.P Langlois & F. Cheriet. “A video stream processor for real-time detection and correction of specular reflections in endoscopic images”. Presentado en 2008 Joint 6th International IEEE Northeast Workshop on Circuits and Systems and TAISA Conference. IEEE, pp. 49-52, 2008. https://doi.org/10.1109/newcas.2008.4606318

J.J Guo, et al. “A specular reflection suppression method for endoscopic images”. Presentado en 2016 IEEE Second International Conference on Multimedia Big Data (BigMM). IEEE, pp. 125-128, 2016. https://doi.org/10.1109/bigmm.2016.78

D. Stoyanov & G.Z Yang. “Removing specular reflection components for robotic assisted laparoscopic surgery”. Presentado en IEEE International Conference on Image Processing 2005. IEEE, pp. III-632, 2005. https://doi.org/10.1109/icip.2005.1530471

A.C Lee, et al. “Solid-state semiconductors are better alternatives to arc-lamps for efficient and uniform illumination in minimal access surgery”. Surgical endoscopy, vol. 23, no 3, pp. 518-526, 2009. https://doi.org/10.1007/s00464-008-9854-7

T. Hu, et al. “Insertable surgical imaging device with pan, tilt, zoom, and lighting”. The International Journal of Robotics Research, vol. 28, no 10, pp. 1373-1386, 2009. https://doi.org/10.1177/0278364908104292

D.H Dong, et al. “Miniature magnetically anchored and controlled camera system for trocar-less laparoscopy”. World journal of gastroenterology, vol. 23, no 12, pp. 2168, 2017. https://doi.org/10.3748/wjg.v23.i12.2168

M. Simi, et al. “Magnetically activated stereoscopic vision system for laparoendoscopic single-site surgery”. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 18, no 3, pp. 1140-1151, 2012. https://doi.org/10.1109/tmech.2012.2198830

A.R Yazdanpanah, et al. “A novel laparoscopic camera robot with in-vivo lens cleaning and debris prevention mod-ules”. Presentado en 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, pp. 3669-3674, 2017. https://doi.org/10.1109/iros.2017.8206212

Cirugía laparoscópica de estómago [Online]. Disponible: http://cirugiaendoscopicaperu.com/?q=node/197

Histogram calculation [Online]. Disponible: https://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/imgproc/histograms/histogram_calculation/histogram_calculation.html.

Histograms - 1: Find, Plot, Analyze [Online]. Disponible: https://docs.opencv.org/3.1.0/d1/db7/tutorial_py_histogram_begins.html.

Camera histograms: Tones & Contrast [Online]. Disponible: http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/histograms1.htm.

Descargas

La descarga de datos todavía no está disponible.
Publicado
2021-09-20
Cómo citar
Chaparro Velasco, M., Sabater Navarro, J., & Vivas Abán, Óscar. (2021). Sistema de Simulación de la Iluminación Abdominal Basado en Mini Robots. INGE CUC, 17(2). https://doi.org/10.17981/ingecuc.17.2.2021.14