Robot Control in the Presence of Cardiac Motion

Abstract

As doenças cardiovasculares são a causa número um de mortes no mundo, sendo que, entreestas, a doença coronária tem uma das maiores taxas de mortalidade. Posto isto, de formaa reduzir o potencial risco de morte associado a este tipo de patologia, a revascularizaçãomiocárdica é um dos procedimentos mais comummente utilizados. Não obstante e, emborase trate de um procedimento devidamente estudado, desenvolvido e, portanto, já maduro,ainda existe um conjunto de riscos que lhe estão associados. Esta cirurgia requer uma esternotomiamediana e um bypass cardiopulmonar (CPB) para manter a circulação e oxigenaçãosanguíneas, enquanto o coração está parado. Todavia, a cirurgia de peito aberto com recursoa uma máquina de coração-pulmão, conduz regularmente a traumatismos e infecçõessignificativas podendo mesmo, em última instância, provocar a morte.O conjunto de efeitos secundários e perigos associados a esse tipo de procedimento temsuscitado a pesquisa de alternativas. Neste sentido, a revascularização miocárdica minimamenteinvasiva e o uso de estabilizadores mecânicos são duas possibilidades. Ora, osestabilizadores mecânicos, enquanto possíveis substitutos do CPB, são colocados em tornoda área de interesse de forma a mitigar os movimentos cardíacos. No entanto, o movimentoresidual continua a ser de tal forma significativo que as lesões no tecido cardíaco continuama ser um efeito colateral recorrente. Neste sentido, a cirurgia roboticamente assistida, a qualganhou grande visibilidade e popularidade com o aparecimento dos sistemas cirúrgicos Zeuse da Vinci, tem o potencial para solucionar este tipo de problemas.Ao longo da presente dissertação, uma arquitectura de controlo de feedback de força,baseada em observadores activos (filtros de Kalman modificados), é usada e testada de modoa compensar movimentos fisiológicos com seguimento de uma força de referência. Numafase posterior, as capacidades de telemanipulação da arquitectura de controlo proposta sãotestadas enquanto proporcionam um feedback háptico. Este é um grande passo no sentidode desenvolver uma aplicação para o utilizador final, viável para um uso real em cirurgia.

Cardiovascular diseases are the number one cause of death in the world and, among these,coronary heart diseases have the highest mortality rate. In order to reduce the risk of death,coronary artery bypass grafting (CABG) is one of the most common procedures but, despitethe fact that it is a studied, developed and well mature procedure, many risks are stillinvolved. The surgery requires a median sternotomy and a cardiopulmonary bypass (CPB)to maintain blood circulation and oxygenation while the heart is stopped. However, openchestsurgery with the use of a heart-lung machine regularly leads to significant trauma andinfection and may even lead to death.The side-effects associated to this type of procedure have motivated the search for alternatives,such as minimally invasive CABG (MICABG) and the use of mechanical stabilizers.Mechanical stabilizers are a substitute to CPB and by placing them around the area of interestthey attempt to mitigate heart motion. However, great residual motion remains andinjuries to the heart tissue are another side-effect. Robotic assisted surgery has the potentialto solve these issues. With the appearance of the Zeus and the da Vinci surgical systems,robotic assisted surgery gained popularity and viability.In this thesis, a force feedback control architecture, based in active observers (modifiedKalman filters), is used and tested to compensate physiological motion while tracking areference force. Then, the telemanipulation capabilities of the proposed control architectureare tested, while also providing haptic feedback. This is a major step towards developing anend-user application, viable for use in actual surgery.