In vivo feasibility study of humanoid robots in surgery

Resumen Técnico: Estudio de Factibilidad In Vivo de Robots Humanoides en Cirugía

Planteamiento del Problema
Si bien los avances recientes en actuación, control y aprendizaje han impulsado a los robots humanoides hacia el despliegue en el mundo real, su aplicación en entornos clínicos de alto riesgo sigue sin probarse. La atención sanitaria se enfrenta a una brecha creciente entre la carga de trabajo clínico y la disponibilidad de mano de obra cualificada. Aunque la robótica hospitalaria actual se centra en la logística, existe una necesidad crítica de determinar si los humanoides de propósito general pueden realizar tareas de forma segura y críticas para la seguridad, como la cirugía. A diferencia de las plataformas quirúrgicas diseñadas específicamente (por ejemplo, el sistema quirúrgico da Vinci) que utilizan Centros de Movimiento Remoto (RCM) mecánicamente restringidos e instrumentos patentados, los humanoides de propósito general deben navegar por quirófanos diseñados para humanos utilizando instrumentos manuales estándar. No está claro si los humanoides contemporáneos poseen la precisión, estabilidad y garantía de seguridad necesarias para satisfacer las rigurosas demandas de la cirugía mínimamente invasiva (CMI).

Metodología
Los autores desarrollaron un marco de evaluación sistemática para evaluar la tecnología de humanoides contemporánea para tareas laparoscópicas. El estudio utilizó un robot humanoide Unitree G1, que representa una plataforma comercial disponible de propósito general.

• Arquitectura del Sistema: Se construyó un marco de teleoperación utilizando una consola de operación móvil equipada con un visor estéreo, un Manipulador de Herramienta Maestra (MTM) y un pedal. El sistema mapea los movimientos intuitivos de la mano humana a un control de instrumento escalado mediante un algoritmo de mapeo inverso.
• Control Cinemático: Para abordar la falta de restricciones de RCM mecánico en los humanoides, el sistema emplea un RCM virtual. El algoritmo de control trata el instrumento laparoscópico manual como una cadena cinemática extendida. Utilizando visión estéreo y marcadores ArUco detectados por la cámara de la cabeza del robot, el sistema localiza el puerto del trocar y aplica la restricción de RCM a través de software, permitiendo que la muñeca del robot pivote el eje del instrumento mientras controla la punta.
• Instrumentación: El estudio utilizó instrumentos con muñeca no accionados (LivsMed) disponibles comercialmente y diseñados para uso humano. Un soporte personalizado permitió al robot controlar activamente los grados de libertad de la muñeca del instrumento, mientras que una interfaz accionada por servomotor gestionaba la acción de cierre de la pinza.
• Fases de Evaluación:
  1. Caracterización en Banco de Pruebas: Evaluó la accesibilidad del espacio de trabajo, la maniobrabilidad y la precisión del movimiento (latencia y error de seguimiento) utilizando sistemas de captura de movimiento.
  2. Estudios de Usuario en Laboratorio Seco (Dry-Lab): Realizados con 18 participantes (6 cirujanos, de 12 novatos) y 13 profesionales médicos (8 médicos junior, 5 senior). Las tareas incluyeron la transferencia de anillos de goma y la transferencia de clavos de los Fundamentos de la Cirugía Laparoscópica (FLS). El rendimiento se comparó con el da Vinci Research Kit (dVRK), el da Vinci Xi y la operación manual.
  3. Estudio Porcino In Vivo: Se realizaron dos colecistectomías laparoscópicas vivas en un centro de simulación quirúrgica. Un humanoide actuó como el cirujano, mientras que un segundo humanoide (en un caso) o un asistente humano gestionó el control de la cámara y la retracción.

Resultos Clave

• Rendimiento en Banco de Pruebas: El humanoide alcanzó una latencia del sistema de aproximadamente 156 ms (seguidor-líder), lo cual está dentro del rango de desarrollo activo pero es superior a los <150 ms deseados frecuentemente para sistemas clínicos. El seguimiento de movimiento mostró una precisión de escala milimétrica para líneas rectas (desviación RMS de 1.30 mm) pero errores más altos para trayectorias curvas (desviación radial de 10.40 mm), atribuidos principalmente a inexactitudes de calibración en la cadena cinemática extendida de las herramientas manuales.
• Estudios de Usuario en Laboratorio Seco:
  • Transferencia de Anillos: La plataforma del humanoide redujo significamente las puntuaciones de error ponderadas en comparación con la operación manual tanto para novatos como para cirujanos, desempeñándose de manera comparable al dVRK en métricas de error, pero con tiempos de finalización más largos.
  • Transferencia de Clavos FLS: El humanoide superó la operación manual tanto en velocidad como en reducción de errores, logrando una puntuación equilibrada de FLS más alta. Sin embargo, siguió siendo significativamente más lento y menos preciso que el sistema da Vinci Xi. Los cirujanos senior demostraron el mejor rendimiento en todas las plataformas, logrando sus tasas de error más bajas en el humanoide.
  • Carga de Trabajo: La retroalimentación subjetiva indicó que, si bien el humanoide mejoró el rendimiento respecto a la operación manual, requirió una mayor demanda mental y física en comparación con el da Vinci Xi, debido principalmente a la latencia y las restricciones de alcance.
• Estudio Porcino In Vivo: Ambas colecistectomías se completaron robóticamente sin conversión a cirugía abierta o laparoscopia convencional.
  • Eficiencia: El tiempo de consola activa fue eficiente, con una ejecución rápida de la disección de tejidos y la visión crítica de seguridad.
  • Interrupciones: El flujo de trabajo incluyó "pausas mayores" (>3 minutos) para el redespliegue y la recalibración del robot debido a cambios dinámicos de RCM causados por la respiración del animal y la deriva de la base. Las "micro-pausas" (<1 minuto) para la limpieza de la cámara y el ajuste de instrumentos fueron comparables a las tareas de un asistente humano.
  • Resultados: No ocurrieron complicaciones intraoperatorias mayores. Problemas menores (derrame biliar, sangrado) en el segundo caso se gestionaron con éxito.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar la primera evaluación basada en evidencia de humanoides de propósito general contemporáneos realizando cirugía laparoscópica in vivo. El estudio demuestra que:

1. Factibilidad Técnica: Los robots humanoides pueden realizar con éxito tareas quirúrgicas complejas y críticas para la seguridad (colecistectomía) utilizando instrumentos manuales estándar, logrando un nivel de fidelidad de control y de instrumento previamente no observado en plataformas de investigación de etapa temprana.
2. Análisis de Brechas: Aunque es factible, persiste una brecha significativa entre los humanoides actuales y los robots quirúrgicos establecidos. Las limitaciones clave incluyen la latencia de control, el alcance reducido del espacio de trabajo debido a factores de forma compactos, la sensibilidad a la deriva de calibración y la necesidad de recalibraciones frecuentes del sistema.
3. Madurez Clínica: El sistema aún no está listo para el despliegue clínico. Los autores enfatizan que deben resolverse cuestiones relativas a la esterilidad (falta de componentes autoclavables), el rango de movimiento y las interrupciones del flujo de trabajo.
4. Potencial Futuro: Si estos desafíos técnicos y de flujo de trabajo se abordan, las plataformas humanoides podrían ofrecer una alternativa versátil y de menor costo a los robots quirúrgicos especializados, mejorando potencialmente la accesibilidad y reduciendo el hacinamiento en los quirófanos al integrarse sin problemas en las infraestructuras quirúrgicas centradas en humanos.

El estudio concluye que, si bien la visión de la "cirugía sobrehumana" aún no se ha realizado, el camino a seguir implica mejoras de ingeniería iterativas en la precisión del control, la robustez bajo condiciones dinámicas y la integración del sistema para cerrar la brecha entre los prototipos de investigación y la realidad clínica.