Estimación de fuerzas que interactúan durante la inserción de una aguja quirúrgica en tejido blando

Abstract

La robótica médica es un campo interdisciplinario que surgió por la necesidad de mejorar los procedimientos quirúrgicos. Las practicas percutáneas se encuentran entre los procedimientos más comunes en el área medica, donde la exactitud de la inserción percutánea juega un papel relevante en la precisión de los diagnósticos al realizar biopsias, en la aplicación de anestesia, en la suministración de medicamentos o la aspiración de fluidos. Por esta razón, el modelado de las fuerzas que interactúan durante la inserción de una aguja, se ha convertido en un tema de interés para los investigadores e ingenieros; ya que con ello se promueve el desarrollo de simuladores que permitan a médicos sin experiencia, practicar y familiarizarse con los instrumentos y equipos antes de tratar con un paciente real; así como el desarrollo de sistemas robóticos mas versátiles y de menor costo para la asistencia médica. El tejido blando al igual que cualquier otro material, produce una respuesta al ser sometido a esfuerzos. En el análisis del fenómeno de la interacción aguja-tejido blando, se pueden diferenciar cuatro fases durante el proceso de inserción. La Fase inicial es cuando el tejido se encuentra sin deformación. La Fase 1 es cuando se ejerce una fuerza de empuje en la aguja, y se inicia la deformación del tejido de acuerdo a su rigidez biomecánica sin llegar a la ruptura. La Fase 2 ocurre cuando la aguja se inserta en el tejido y durante el contacto se produce una fuerza de corte. Como la aguja queda envuelta por el tejido, también se produce una fuerza de fricción. Finalmente, la Fase 3 es cuando se extrae la aguja; la fuerza de fricción está presente y ocurre una nueva deformación en el tejido en dirección de salida de la aguja. En este trabajo de tesis han sido consideradas las Fases 1 y 2, tomando en cuenta modelos matemáticos conocidos y que han sido validados a partir de las características de muestras como el hígado bovino, área abdominal y tejido artificial. Se emplearon dos metodologías para la estimación en línea de las fuerzas involucradas en la interacción aguja-tejido: Un observador de perturbación (basado parcialmente en el Observador Proporcional Integral Generalizado), y un método Algebraico; para estimar la fuerza de rigidez del tejido antes de la punción (Fase 1), así como las fuerzas de fricción y corte durante la inserción (Fase 2). Se ha considerado que son conocidas la fuerza ejercida para insertar la aguja, la posición de la punta de la aguja y la deformación del tejido. Se programaron los modelos matemáticos y los métodos de estimación en el programa MATLAB\Simulink, obteniendo resultados de simulación satisfactorios.