Dissertação de mestrado integrado em Engenharia BiomédicaThe objective of this dissertation is to develop an initial approach of a robotic
system to play an assistive role in Deep Brain Stimulation (DBS) stereotactic
neurosurgery. The robot is expected to position and manipulate several surgical
instrumentation in a passive or semi-active role according to pre-operative
directives and to medical team instructions. The current impact of neurological
disorders sensitive to DBS, the underlying knowledge of neurostimulation and neuroanatomy,
and practical insight about DBS surgery is studied to understand the
ultimate goal of our project. We elaborated a state of the art search on neurosurgery
robots to get the picture of what was done and what could be improved.
Upon determining the optimal robotic system characteristics for DBS surgery, we
conducted a search on industrial robotic manipulators to select the best candidates.
The geometric and differential kinematic equations are developed for each
robotic manipulator. To test the kinematic equations and the control application
in a virtual operating room environment, we used the CoopDynSim simulator. Being
this simulator oriented to mobile robots, we introduced the serial manipulator
concept and implemented the selected robots with all specifications. We designed a
control application to manoeuvre the robot and devised an initial interface towards
positioning/manipulation of instrumentation along surgical trajectories, while emphasizing
safety procedures. Although it was impossible to assess the robot’s
precision in simulation, we studied how and where to place the manipulator to
avoid collisions with surrounding equipment without restricting its flexibility.O objectivo desta dissertação é o desenvolvimento de uma abordagem inicial a
um sistema robótico para desempenhar um papel de assistência em neurocirurgia
estereotáxica de Estimulação Cerebral Profunda (DBS). O robô deve posicionar e
manipular variados instrumentos cirúrgicos de uma forma passiva ou semi-ativa de
acordo com diretivas pré-operativas ou com as instruções da equipa médica. O impacto
atual dos distúrbios neurológicos sensíveis a DBS, o conhecimento subjacente
de neuro-estimulação e neuro-anatomia, e conhecimento prático sobre a cirurgia de
DBS são estudados para concluir sobre o objectivo final do nosso projeto. Nós elaborámos
uma pesquisa sobre o estado da arte em robots neurocirúrgicos para perceber
o que tem sido feito e o que pode ser melhorado. Após determinar o conjunto
óptimo de características de um sistema robótico para cirurgia de DBS, nós procuramos
manipuladores robóticos industriais para escolher os melhores candidatos.
As cinemáticas geométricas e diferenciais são desenvolvidas para cada manipulador
robótico. Para testar as equações cinemáticas e a aplicação de controlo num
ambiente virtual de uma sala de operações, nós usamos o simulador CoopDynSim.
Sendo este manipulador orientado a robôs móveis, nós introduzimos o conceito
de manipuladores em série e implementamos os robôs selecionados com todas as
especificações. Nós projetamos uma aplicação de controlo para manobrar os robôs
e desenvolvemos uma interface inicial no sentido do posicionamento/manipulação
de instrumentação ao longo de trajetórias cirúrgicas, enfatizando os procedimentos
de segurança. Embora não tenha sido possível avaliar a precisão do robô em
simulação, nós estudamos como e onde posicionar o manipulador de forma a evitar
colisões com o equipamento circundante sem restringir a sua flexibilidade
