Optimización de la Configuración de Puertos y del Posicionamiento de los Brazos Robóticos en Cirugía Laparoscópica Robotizada

• Fontúrbel, Carlos ^[1] ; Cisnal, Ana ^[1] ; Pérez-Turiel, Javier ^[1] ; Fraile-Marinero, Juan Carlos ^[1]
  1. [1] Universidad de Valladolid

     Universidad de Valladolid

     Valladolid, España

     
• Localización: Jornadas de Automática, ISSN-e 3045-4093, Nº. 46, 2025
• Idioma: español
• DOI: 10.17979/ja-cea.2025.46.12259
• Títulos paralelos:
  • Optimization of Port Configuration and Manipulator Positioning in Robotic Laparoscopic Surgery
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• Resumen
  • español

    Este trabajo presenta un algoritmo para optimizar la configuración de los puertos quirúrgicos y la colocación de las bases de brazos robóticos en cirugía laparoscópica robotizada. Se realiza una evaluación cinemática basada en el Conditioning Index (CI), identificando combinaciones válidas de base y puertos que garanticen la movilidad en todo el órgano diana. Posteriormente, se aplica DBSCAN para identificar agrupaciones de puertos y se realiza una optimización multiobjetivo que considera separación entre bases, distribución y adyacencia de los puertos. El proceso se valida mediante simulaciones con dos robots UR3e y hasta cuatro puertos, demostrando la efectividad del método para obtener soluciones óptimas y robustas. El algoritmo es especialmente útil en la planificación preoperatoria, ya que permite reducir la dependencia de la experiencia del cirujano y mejora la adaptabilidad a diferentes morfologías y configuraciones.

  • English

    This work presents an algorithm to optimize the configuration of surgical ports and the positioning of robotic arm bases in robot-assisted laparoscopic surgery. A kinematic evaluation based on the Conditioning Index (CI) is performed, identifying valid base-port combinations that ensure complete maneuverability throughout the entire target organ. Subsequently, DBSCAN is applied to identify port clusters, and a multi-objective optimization is carried out, considering base separation, port distribution, and adjacency. The process is validated through simulations involving two UR3e robots and up to four ports, demonstrating the effectiveness of the method in obtaining optimal and robust solutions. The algorithm is particularly useful in preoperative planning, as it provides the surgeon with base/port configurations that guarantee the feasibility of the procedure in terms of maneuverability and minimize the risk of collisions.

• Referencias bibliográficas
  • Bertsimas, D. y Tsitsiklis, J. (1993) "Simulated Annealing", https://doi.org/10.1214/ss/1177011077. Institute of Mathematical Statistics,...
  • Coste-Manière, È., Adhami, L., Severac-Bastide, R., Lobontiu, A., Salisbury, J. K., Boissonnat, J.-D., Swarup, N., Guthart, G., Mousseaux,...
  • Feuerstein, M., Mussack, T., Heining, S. M. y Navab, N. (2008) "Intraoperative laparoscope augmentation for port placement and resection...
  • Klein, C. A. y Blaho, B. E. (1987) "Dexterity Measures for the Design and Control of Kinematically Redundant Manipulators", The International...
  • Maddah, M. R., Classe, J. M., Jaffre, I., Watson, K. A., Lin, K. S., Chablat, D., Dumas, C. y Cao, C. G. L. (2023) "A decision aid for...
  • Mäenpää, M. M., Nieminen, K., Tomás, E. I., Laurila, M., Luukkaala, T. H. y Mäenpää, J. U. (2016) "Robotic-assisted vs traditional laparoscopic...
  • Schubert, E., Sander, J., Ester, M., Kriegel, H. P. y Xu, X. (2017) "DBSCAN Revisited, Revisited: Why and How You Should (Still) Use DBSCAN",...
  • Sun, L. W. y Yeung, C. K. (2007) "Port placement and pose selection of the Da Vinci surgical system for collision-free intervention based...
  • Thiruchelvam, N., Lee, S. Y. y Chiow, A. K. H. (2021) "Patient and port positioning in laparoscopic liver resections", Hepatoma Res...
  • Wang Jinling, Lin Katherine S, Watson Keith A, Galloway Michael L, Hellan Minia y Cao Caroline G.L. (2016) Need Help with Port-placement in...
  • Wörn, H. y Weede, O. (2009) "Optimizing the Setup Configuration for Manual and Robotic Assisted Minimally Invasive Surgery", IFMBE...
  • Zihni, A., Gerull, W. D., Cavallo, J. A., Ge, T., Ray, S., Chiu, J., Brunt, L. M. y Awad, M. M. (2018) "Comparison of precision and speed...