La chirurgia minimamente invasiva (MIS) è un approccio innovativo che permette di ridurre il trauma del paziente, il dolore ed il tempo per la riabilitazione postoperatoria; la miniaturizzazione, l'aumento di sicurezza e destrezza sono oggetti comuni di ricerca. Il nuovo approccio sostituisce l'incisione ampia, utilizzata per le operazioni classiche, con piccole incisioni. Mini-braccia di robot sono inserite da piccoli orifizi: una telecamera endoscopica e da uno a tre bracci sono utilizzati dai chirurghi, per effettuare le procedure chirurgiche. Il progetto è stato sviluppato tramite una collaborazione tra il laboratorio PMAR, dell' Università di Genova, ed il laboratorio LRP, dell' Università Paris 6. L'argomento dello studio è lo sviluppo di mini-bracci articolati per la chirurgia minimamente invasiva. Quattro architetture di braccia articolate sono state proposte. Questi strumenti modulari permettono di seguire un cammino curvo, con impatto minimale. Lo strumento sviluppato è formato di uno avan-braccio articolato, che porta un polso e di accessori pertinenti: bisturi, forbici, pinze, videocamera, ecc.. Il braccio è un esempio interessante di Sistema Meccanico Micro-Elettrico (MEMS); attuazione, comando e detenzione sono integrati. Le varie soluzioni sono state studiate e le caratteristiche operative fondamentali sono riassunte e confrontate. Particolarmente interessante è la concezione del modulo ‘micro macchina da cucire', capace di funzionare con un filo solo. Il braccio è formato di una sequenza di moduli. Per ragioni di funzionalità, i moduli hanno tutta la stessa interfaccia meccanica. Grazie ad un lavoro di gruppo con il collega Dottorando Damien Sallé, circa 25 moduli sono stati concepiti e la loro affidabilità verificata. Questi moduli sono attivati da micro motori elettrici e da fili in lega a memoria di forma. Cambiando l'ordine dei moduli, è possibile creare una grande famiglia di bracci differnti. Abbiamo scelto l'architettura, illustrata nella figura seguente, che può meglio effettuare operazioni di chirurgia cardiaca, secondo l'analisi d'ottimizzazione oggetto della tesi di collega Damien. Un prototipo di strumento chirurgico è stato costruito a Parigi ed è stato oggetto di prove. Il mini-braccio è attuato da cinque motori elettrici: la posizione angolare di ciascuno gradi di libertà è misurata da un sensore magnetico, la pinza è attivata con leghe a memoria di forma. Il problema della cinematica diretta è stato risolto per trovare lo spazio di lavoro. Lo Jacobiano, calcolato con la teoria delle viti, ha permesso di analizzare le singolarità del robot. Un algoritmo innovativo di controllo, capace di gestire la ridondanza dello strumento, è stato sviluppato. Sotto, accanto al mini-braccio, è riportato lo spazio di lavoro calcolato. Lo strumento, come una lumaca, vive all'interno di una scatola. Il braccio è capace di uscire e dirigersi secondo il cammino programmato. Durante l'operazione di chirurgia, il braccio entra nel corpo di paziente ed effettua l'operazione. L’immagine seguente propone una vista schematica della lumaca. La cooperazione con i robot cambierà radicalmente la pratica chirurgica, superando i limiti antropocentrici di movimento e di miniaturizzazione. Il progetto considera tali opportunità, con osservazioni sulle strategie di controllo tipiche e con proposte innovative. Lo studio si conclude con esperimenti in realtà virtuale, che utilizzano modelli digitali. Grazie all'algoritmo di controllo messo a punto, il chirurgo ha la possibilità di seguire l'operazione occupandosi solamente dello strumento terminale, mentre il corpo della mini-braccio evita automaticamente ogni organo vitale, individuato dai sensori di prossimità posizionati lungo la braccio.
Development of micro-tools for surgical applications
Cepolina Francesco
2005-01-01
Abstract
La chirurgia minimamente invasiva (MIS) è un approccio innovativo che permette di ridurre il trauma del paziente, il dolore ed il tempo per la riabilitazione postoperatoria; la miniaturizzazione, l'aumento di sicurezza e destrezza sono oggetti comuni di ricerca. Il nuovo approccio sostituisce l'incisione ampia, utilizzata per le operazioni classiche, con piccole incisioni. Mini-braccia di robot sono inserite da piccoli orifizi: una telecamera endoscopica e da uno a tre bracci sono utilizzati dai chirurghi, per effettuare le procedure chirurgiche. Il progetto è stato sviluppato tramite una collaborazione tra il laboratorio PMAR, dell' Università di Genova, ed il laboratorio LRP, dell' Università Paris 6. L'argomento dello studio è lo sviluppo di mini-bracci articolati per la chirurgia minimamente invasiva. Quattro architetture di braccia articolate sono state proposte. Questi strumenti modulari permettono di seguire un cammino curvo, con impatto minimale. Lo strumento sviluppato è formato di uno avan-braccio articolato, che porta un polso e di accessori pertinenti: bisturi, forbici, pinze, videocamera, ecc.. Il braccio è un esempio interessante di Sistema Meccanico Micro-Elettrico (MEMS); attuazione, comando e detenzione sono integrati. Le varie soluzioni sono state studiate e le caratteristiche operative fondamentali sono riassunte e confrontate. Particolarmente interessante è la concezione del modulo ‘micro macchina da cucire', capace di funzionare con un filo solo. Il braccio è formato di una sequenza di moduli. Per ragioni di funzionalità, i moduli hanno tutta la stessa interfaccia meccanica. Grazie ad un lavoro di gruppo con il collega Dottorando Damien Sallé, circa 25 moduli sono stati concepiti e la loro affidabilità verificata. Questi moduli sono attivati da micro motori elettrici e da fili in lega a memoria di forma. Cambiando l'ordine dei moduli, è possibile creare una grande famiglia di bracci differnti. Abbiamo scelto l'architettura, illustrata nella figura seguente, che può meglio effettuare operazioni di chirurgia cardiaca, secondo l'analisi d'ottimizzazione oggetto della tesi di collega Damien. Un prototipo di strumento chirurgico è stato costruito a Parigi ed è stato oggetto di prove. Il mini-braccio è attuato da cinque motori elettrici: la posizione angolare di ciascuno gradi di libertà è misurata da un sensore magnetico, la pinza è attivata con leghe a memoria di forma. Il problema della cinematica diretta è stato risolto per trovare lo spazio di lavoro. Lo Jacobiano, calcolato con la teoria delle viti, ha permesso di analizzare le singolarità del robot. Un algoritmo innovativo di controllo, capace di gestire la ridondanza dello strumento, è stato sviluppato. Sotto, accanto al mini-braccio, è riportato lo spazio di lavoro calcolato. Lo strumento, come una lumaca, vive all'interno di una scatola. Il braccio è capace di uscire e dirigersi secondo il cammino programmato. Durante l'operazione di chirurgia, il braccio entra nel corpo di paziente ed effettua l'operazione. L’immagine seguente propone una vista schematica della lumaca. La cooperazione con i robot cambierà radicalmente la pratica chirurgica, superando i limiti antropocentrici di movimento e di miniaturizzazione. Il progetto considera tali opportunità, con osservazioni sulle strategie di controllo tipiche e con proposte innovative. Lo studio si conclude con esperimenti in realtà virtuale, che utilizzano modelli digitali. Grazie all'algoritmo di controllo messo a punto, il chirurgo ha la possibilità di seguire l'operazione occupandosi solamente dello strumento terminale, mentre il corpo della mini-braccio evita automaticamente ogni organo vitale, individuato dai sensori di prossimità posizionati lungo la braccio.
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