Force sensing and display in robotic driven needles for minimally invasive surgery

摘要

Nell’ultimo decennio, le procedure di chirurgia minimamente invasive, come la laparoscopia, sono state migliorate grazie allla presenza di sistemi robotici in grado di fornire una maggior destrezza in spazi ristretti. Tuttavia, la separazione fisica tra il chirurgo e il paziente non fornisce al chirurgo la percezione tattile dell’interazione tra tessuto e strumento chirurgico. Insieme agli elevati costi e alle problematiche di sicurezza, una delle ragioni che non ha permesso un ampio utilizzo di dispositivi robotici in chirurgia e rappresentata dalla necessita di cambiare i protocolli standard delle procedure chirurgiche e lo strumentario chirurgico, nonche la necessita di un training chirurgico. Nell’ambito delle procedure minimamente invasive, l’inseriimento di aghi o sonde comprende numerose applicazioni in campo medico come il prelievo di sangue, l’anestesia, la biopsia, la brachiterapia e il posizionamento di elettrodi.. Il feedback di forza per procedure di inserimento di aghi e stato ampiamente studiato al fine di creare simulatori chirurgici, ma tali risultati non sono stati trasferito nello scenario chirurgico reale. In questo lavoro di tesi, sono stati studiati e sviluppati nuovi metodi e nuove tecnologie di misura della forza per l'integrazione con dispositivi robotici in procedure di inserimento di aghi, senza dover apportare modifiche agli standard chirurgici, migliorando cosi l'esito dell'intervento, la sicurezza e le prestazioni con costi relativamente contenuti. In particolare, sono stati sviluppati sensori e modalita di rilevamento della forza integrati nei dispositivi robotici, algoritmi di controllo di forza per il miglioramento della percezione tattile e delle procedure di inserimento dell'ago, nonche la progettazione di protocolli sperimentali dedicati alla verifica e alla validazione di tali metodologie. Schemi di controllo in tele-operazione e in co-manipulazione sono stati valutati in circostanze simili a quelle delle procedure chirurgiche reali, considerando la neurochirurgia il paradigma clinico di applicazione. Entrambe le modalita di controllo consentito al chirurgo di identificare accuratamente piccole differenze di forza durante l’inserimento dell’ago nei tessuti molli. Nello scenario di tele-operazione nuove modalita di misura della forza sono state integrate in un piccolo attuatore lineare piezo-elettrico con elevata precisione di posizionamento. Nella modalita di co-manipulazione la possibilita di scalare la percezione della forza di interazione tessuto-ago e una percezione aumentata delle forze di interazione sulla punta dell'ago hanno dimostrato di essere adatte per la rilevazione di piccole variazioni nelle proprieta dei tessuti molli attraversati, aumentando cosi la precisione e la sicurezza delle procedure chirurgiche. Particolare attenzione e stata dedicata alla scelta dei materiali in grado di imitare le caratteristiche meccaniche dei tessuti molli, sui quali sono stai validati i dispositivi robotici sviluppati. Tali dispositivi dovranno essere accuratamente provati in condizioni precliniche, come tessuti biologici ex-vivo, per meglio valutarne l’effettiva rilevanza clinica, tuttavia e stato dimostrato che il feedback di forza amplificato e efficace nell’aiutare il chirurgo in una ampia varieta di condizioni sperimentali.