ساخت ربات هپتیکی برای جراحی مغز در دانشگاه تربیت مدرس

به گزارش پایگاه خبری راد،  محمدرضا دهقانی، مجری این طرح تحقیقاتی در خصوص اهمیت استفاده از سیستم‌های رباتیک در جراحی، گفت: استفاده از سیستم‌های رباتیک در جراحی به دلیل خصوصیاتی همچون دقت بالا، خستگی‌ناپذیری و عدم اشتباه روز به روز رو به افزایش است. به طور ویژه، این سیستم‌ها در جراحی بر روی بافت استخوانی به دلیل ثابت بودن و عدم تغییر شکل و امکان برنامه‌ریزی پیش از عمل مناسب هستند.

وی افزود: برش تکه‌ای از استخوان جمجمه مرحله‌ای اجتناب‌ناپذیر در جراحی‌های باز مغز و اعصاب است که بسیار وقت‌گیر و خسته‌کننده است. اعمال نیروهای بزرگ با دقت بالا انرژی زیادی از جراح مصرف می‌کند که باعث می‌شود در مرحله بعد که دست‌کاری بافت حساس مغزی است، خطای احتمالی جراح افزایش یابد. با این وجود سیستم‌های رباتیک با توانایی برش و سوراخ‌کاری جمجمه برای جراحی‌های مغز و اعصاب در مرحله تحقیقاتی به سر می‌برند.

دهقانی در تشریح پروژه تحقیقاتی خود اظهار کرد: در این تحقیق با بررسی نیازمندی‌های جراحی‌های روی جمجمه، انتظارات جراحان از یک سیستم رباتیک مد نظر قرار داده شد و بر اساس آن طراحی ربات جراحی بر روی جمجمه با هدف کاهش بار کاری جراح انجام گرفت. ربات طراحی شده دارای سه درجه آزادی فعال برای کنترل ابزار و چهار درجه آزادی غیر فعال برای تنظیم موقعیت و راستای قسمت فعال نسبت به جمجمه بیمار است.

دانش‌آموخته دانشگاه تربیت مدرس اضافه کرد: در مراحل بهینه‌سازی مکانیزم فعال، مدل سه‌بعدی از جمجمه و تکه‌های استخوان بریده شده در جراحی‌های مختلف تهیه شد. فضای کاری هدف استخراج شده به همراه پارامترهای سینماتیکی مناسب برای امتیازدهی به طراحی‌های مختلف و انتخاب طراحی بهینه استفاده شد. مکانیزم موازی انتخاب شده از خواص مرکز آنی دوران خارجی بهره می‌برد. با قرار دادن مرکز آنی دوران مکانیزم بر روی کره محیطی به تکه استخوان، ابزار تقریبا همواره بر سطح استخوان عمود باقی می‌ماند. معادلات سینماتیک و ماتریس ژاکوبی ربات به صورت تحلیلی استخراج و توسط شبیه‌سازی نرم‌افزاری صحه‌گذاری شدند. با انجام طراحی جزئی و تحلیل نیرویی، عملگرهای مناسب از موتورهای متناوب سرو و برای این سیستم انتخاب شدند.

دهقانی ادامه داد: یک ربات نمونه از سیستم طراحی شده از جنس آلومینیوم ساخته شد. در فرآیند راه‌اندازی، عملکرد روش‌های مختلف ارتباط با سروودرایوها آزمایش شد و ترکیبی از آنها برای دستیابی به قابلیت اطمینان و سرعت بالا استفاده شد. جهت ارزیابی صحت طراحی و کیفیت ساخت ربات، دو آزمایشِ فضای کاری قابل دسترس و توانایی اعمال نیرو انجام شد.

وی تشریح کرد: در آزمایش اول بازوهای ربات در بازه حرکتی خود با فواصل 10 درجه حرکت داده شدند و در هر نقطه با استفاده از دوربین توتال استیشن موقعیت کارگیر با دقت 0.1 میلی متر ثبت شد. نقاط اندازه گیری شده کل فضای کاری هدف ربات را که با توجه به نیاز جراحی کرینیوتومی مخروطی با زاویه راس 40 درجه است، به خوبی پوشش دادند. علاوه بر آن مشاهده شد که فضای کاری قابل دسترس ربات تنها کمی بزرگتر از فضای کاری هدف بود و این نشان‌دهنده بهینه سازی مناسب پارامترها برای دستیابی به کوچک‌ترین ابعاد ممکن در کنار دسترسی به فضای هدف است.

دهقانی افزود: در آزمایش دوم با نصب یک حسگر نیروی 6 درجه آزادی نیرو و گشتاور نوک کارگیر اندازه‌گیری شد. نتایج نشان می‌دهد که ربات توانایی اعمال نیروی مورد نیاز برای برش و سوراخ‌کاری را دارد. قبل از پیاده‌سازی هرگونه کنترل، برای افزایش دقت ربات، معادلات سینماتیک با روش مبتنی بر مدل و بهینه‌سازی لونبرگ-مارکواریت کالیبره شدند.

مجری طرح در پایان تصریح کرد: یکی از اهداف سیستم رباتیک کاهش بار کاری جراح است که در این راستا الگوریتم کنترلی برای جبران وزن بازوها و ابزار پیاده‌سازی شد. با اندازه‌گیری نیروی دست جراح نشان دادیم که در حرکت آزاد ابزار در فضای کاری ربات به دست جراح نیروی ناچیزی وارد می‌شود و نیروی گرانش جبران‌سازی شده است. یکی دیگر از توانایی‌های در نظر گرفته شده برای این سیستم رباتیک ایجاد دیواره مجازی در فضای کاری است که جلوی نفوذ ابزار و صدمه به بافت نرم زیر استخوان جمجمه را بگیرد. نتایج نشان می‌دهد که در برخورد نوک ابزار با دیواره حداکثر نیروی موتور به دست جراح وارد شده و کنترلر به خوبی از نفوذ ابزار به ناحیه غیرمجاز ممانعت کرد.

بر اساس اعلام روابط عمومی دانشگاه تربیت مدرس، این پژوهش با راهنمایی دکتر مجید محمدی مقدم عضو هیأت علمی دانشکده مهندسی مکانیک انجام شده است.