Háptica para detecção de tumor durante cirurgia minimamente

Háptica para detecção de tumor durante cirurgia minimamente invasiva
"Oferecendo uma funcionalidade inigualável e
integrando-se facilmente com tecnologias de
terceiros, os produtos da National Instruments nos
ajudaram a atender às demandas do nosso projeto
como espaço livre para desenvolvimento futuro do
sistema."
- Earle Jamieson, University of Leeds (http://www.leeds.ac.uk)
O desafio:
Desenvolver um sistema para medir e simular dinamicamente as forças percebidas por um cirurgião durante a palpação (exame por meio do toque)
em cirurgia auxiliada por robôs.
A solução:
Usar o hardware NI CompactDAQ para criar um sistema de palpação física automatizado para medir forças de resposta de modelos de tecido de
silicone com tumores artificiais acoplados às ferramentas gráficas e de interface integradas no software NI LabVIEW para criar um sistema háptico
virtual de cirurgia e os dados medidos de um sistema de teste físico integrado no sistema háptico para ajudar os usuários a interagir com tecido
humano doente simulado por meio do toque.
Autor(es):
James Chandler - University of Leeds (http://www.leeds.ac.uk)
Matthew Dickson - University of Leeds (http://www.leeds.ac.uk)
Earle Jamieson - University of Leeds (http://www.leeds.ac.uk)
Thomas Mueller - University of Leeds (http://www.leeds.ac.uk)
Thomas Reid - University of Leeds (http://www.leeds.ac.uk)
Todo ano, mais de 10 milhões de pessoas em todo o mundo são diagnosticadas com câncer. Mais de uma em três pessoas desenvolve alguma forma de
câncer no seu tempo de vida e aproximadamente uma em quatro de todas as mortes são causadas por ele. O câncer normalmente se manifesta como
massas rígidas anormais (tumores) incorporadas dentro do tecido mais macio (órgãos). No caso de tumores malignos, a detecção antecipada e remoção
precisa aumenta a probabilidade do paciente sobreviver. Nos últimos anos, nós vimos os procedimentos cirúrgicos passaram de cirurgias abertas
tradicionais a cirurgias minimamente invasivas (MIS – minimally invasive surgery), e mais recentemente a cirurgias laparoscópicas auxiliadas por robôs.
Esses avanços mostraram benefícios significativos sobre a cirurgia aberta, mas a falta de contato físico direto resultou em perda de retorno háptico (força
e toque), que é necessário para avaliar as características do tecido por meio da palpação.
Na Universidade de Leeds no Reino Unido, nós desenvolvemos um sistema de simulação que traz retorno háptico a um usuário durante um exercício de
palpação de MIS virtual. Potenciais aplicações para o sistema incluem treinamento cirúrgico e maior desenvolvimento em um dispositivo de palpação
mestre/escravo. O objetivo de longo prazo é superar os inconvenientes da nova tecnologia usada em cirurgias para detectar e melhorar a precisão da
resseção de tumores por meio da palpação. Para alcançar isso, nós precisávamos de E/S de hardware, interface com hardware de terceiros, gráficos
virtuais e gerenciamento e processamento de dados customizados. Outros sistemas usam uma combinação de hardware embarcado e uma variedade de
ambientes de programação, mas nós percebemos que nós poderíamos obter toda essa funcionalidade usando somente LabVIEW (
http://www.ni.com/labview/) e NI CompactDAQ (http://www.ni.com/data-acquisition/compactdaq/) para trazer compatibilidade inerente entre as várias
funções do projeto.
Conceito do sistema
Para simular a palpação do tecido humano, o LabVIEW foi usado para criar um ambiente virtual que fornece ao usuário uma sonda e amostra de tecido
dentro do abdome de um paciente. Um dispositivo háptico fornece interação háptica com o ambiente virtual. O LabVIEW também foi usado para controlar
um ambiente de teste físico customizado onde modelos de tecido de silicone foram palpados com uma sonda de sensoriamento de força. Os testes
físicos foram primariamente realizados para validar os dados obtidos de uma análise de elementos finitos (FEA - finite element analysis) e estabelecer a
comunicação entre o ambiente de teste físico e o dispositivo háptico como uma oportunidade para explorar as capacidades de palpação remota do
sistema. As forças de resposta fornecidas para o usuário no ambiente virtual do LabVIEW foram determinados utilizando FEA.
O sistema de medição físico
Para medir as forças de reposta dos modelos de tecido de silicone durante a palpação, nós desenvolvemos um sistema robótico cartesiano triaxial capaz
de mover uma sonda de palpação instrumentada de acordo com os modelos de tecido. Usando o LabVIEW e o NI CompactDAQ nós pudemos ir do
conceito à solução em uma questão de semanas. O sistema possui superfícies de resposta dos modelos de tecido gravando medições de força durante a
palpação em posições especificadas no plano.
O NI CompactDAQ ofereceu um método rápido e elegante de enviar sinais aos nossos controladores de motor e nos permitiu gravar medições de
posição e força. Nós programamos o sistema para rodar de forma autônoma usando uma arquitetura de máquina de estados no LabVIEW, assim nós
podíamos ajustar parâmetros como profundidade de entalhe e resolução de palpação diretamente do painel frontal.
O sistema cirúrgico háptico
Para simular os aspectos visuais é hápticos de palpação durante a cirurgia, nós criamos uma DLL sob medida para interfacear com o dispositivo háptico
(PHANToM Omni, SensAble Technologies). Isso permite comunicação bilateral entre o LabVIEW e a API OpenHaptics para realizar funções como medir
a posição do operador terminal do dispositivo e implementar força por meio do dispositivo programaticamente. O “call library funcion node” exporta e
importa dados para e do DLL para estabelecer os parâmetros necessários para o sistema. Isso significa que os desenvolvedores podem acessar as
funções do dispositivo e construir subVIs pré-moldados para criar cenas hápticas flexíveis rápida e facilmente, sem a necessidade de acessar funções de
baixo nível do dispositivo.
A força é gerada enviando variáveis de força predeterminadas ao DLL do LabVIEW. Essas são então implementadas dinamicamente usando uma função
Gaussiana para gerar uma força em uma malha de controle háptico que opera a uma frequência de 1kHz. Uma função de rigidez (baseada na lei de
Hooke, F = kx) é então usada para ajustar a força como uma função da profundidade do entalhe. Isso resulta na geração de realimentação háptica de
alta fidelidade dando força suave durante a interação do tecido. O toolkit LabVIEW 3D foi usado para criar a cena visual, que inclui uma superfície de
tecido deformável sob manipulação de uma sonda robóritca. Um conjunto de alturas é atualizado programaticamente dependendo na posição do
operador terminal para trazer a deformação visual representativa na superfície. Os objetos usados dentro da visualização final usam os arquivos de
geometria CAD em linguagem para modelagem de realidade virtual (VRML – virtual reality modeling language) para aumentar a qualidade da cena
renderizada. Juntando a sensação do usuário de toque com retorno visual nessa maneira imita a interação física do mundo real.
Para testar o sistema final e avaliar o quão bem os usuários puderam detectar tumores dentro dos tecidos visuais, nós conduzimos um estudo de fatores
humanos. Isso foi automatizado dentro do código, permitindo que superfícies aleatórias de tecido fossem carregadas automaticamente e outras variáveis
a serem controladas programaticamente, melhorando a validade dos nossos resultados estatísticos. O LabVIEW tornou fácil a implementação e
customização dos nossos ensaios, permitindo gerenciamento e pós-processamento robusto de dados.
Vantagens da solução NI
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Vantagens da solução NI
O hardware da NI e o LabVIEW nos deram uma solução que excedeu todas as expectativa do nosso projeto. Oferecendo funcionalidade inigualável e
fácil integração com tecnologias de terceiros, os produtos da National Instruments nos ajudou a atender as demandas do nosso projeto com espaço
remanescente para desenvolvimento futuro do sistema. Além disso, a National Instruments tem uma rede de suporte excelente, do seu pessoal de
suporte dedicado ao extenso website; foi sempre possível adquirir o auxílio que nós precisamos.
Informações do autor:
James Chandler
University of Leeds (http://www.leeds.ac.uk)
University of Leeds, Woodhouse Lane
Leeds LS2 9JT
Reino Unido
[email protected] (mailto:[email protected])
Figura1: Sistema cirúrgico háptico virtual
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Figura 2: Sistema de teste físico
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Figura 3: Modelo de tecido físico
Figura 4: Sonda de sensoriamento com FSR integrado
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Figura 5: Exemplo de um a superfície de força de reação
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Figura 6: Sistema físico de teste completo
Informações legais
Esse estudo de caso (esse "estudo de caso") foi desenvolvido por um cliente da National Instruments ("NI"). ESSE ESTUDO DE CASO É FORNECIDO "COMO
ESTÁ", SEM GARANTIAS DE QUALQUER NATUREZA E SUJEITO A DETERMINADAS RESTRIÇÕES, COMO ESTABELECIDO DE FORMA MAIS ESPECÍFICA
NOS TERMOS DE USO DA NI.COM (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/ (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/)).
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