Appunti integrati a slides per secondo parziale del corso di Robotica biomedica

FLUSSO DEL IMAGING PROCESSING

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Nell’immagine sottostante a sx elencati step della pratica tradizionale riguardo la trattazioni

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delle immagini cliniche a dx le tecnologie necessarie per rimpiazzare le varie parti nella chirurgia

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robotica → → →

Primo blocco chirurgo prende immagine di un’indagine clinica e la guarda la processa

mettendola in comparazione con le sue conoscenze riguardo alla patologia e alla regione

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anatomica secondo blocco parte di visualizzazione e segmentazione parte in cui chirurgo

cerca di capire quali sono gli elementi caratterizzanti nell’immagine per poter fare operazioni

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successive parte che viene sostituita dal visual reasoning che prende in ingresso tuta la parte

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di visione terzo blocco che comprende la localizzazione e tracking sia della

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strumentazione che degli organi e la HCI legata alla parte della coordinazione mano-occhio

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3 processi a cui le immagini sono sottoposte nel flusso segmentazione si tratta di un

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partizionamento del dominio dell’immagine per regioni connesse ma non sovrapposte che

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corrispondono a strutture anatomiche distinte vado quindi ad estrarre dall’immagine dele

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regioni anatomiche per similarità usando degli algoritmi questi possono essere divisi in due

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classi quelli che prevedono input manuale medico va a fare una pre-segmentazione

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definendo alcuni elementi dell’immagine necessario quindi un inserimento manuale delle

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informazioni segmentazione automatica fatta anche mediante algoritmi dell’intelligenza

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artificiale in ingresso dato un set di immagini insieme a una label la quale definisce che

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quando si ha una certa combinazione di parametri di una certa zona allora lì è presente un

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determinato organo dunque oltre a riconoscere le varie zone qui si riesce ad assegnare

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anche un nome a queste zone per fare ciò necessario un precedente addestramento di rete

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registrazione processo che mette in corrispondenza gli stessi elementi acquisiti con diversa o

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stessa modalità nel tempo quello che dobbiamo fare sia in fase pre-operatoria quando metto

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insieme le immagini acquisite con imaging multimodale e in fase intra-operatoria quando si

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mettono insieme le informazioni del planning con quello che il robot vede in real time per fare

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ciò sfruttano matrici di rototraslazione prima sempre necessario fare la segmentazione

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bisogna sapere chi è A e chi è B nelle immagini da mettere insieme una volta identificata la

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relazione che mette in corrispondenza i due sistemi di coordinate sovrappongo strutture

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riconoscibili poi definisco delle informazioni in modo da avere una corrispondenza la

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registrazione può essere rigida traslazione rotazione scalatura non rigida

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vengono applicate trasformazioni libere fusione una volta fatte corrispondere le varie

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immagini produzione di un’immagine unificata l’obiettivo è quello di estrarre tutte le

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informazioni delle immagini sorgente senza andare ad introdurre errori i vantaggi della

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fusione sono migliorare affidabilità andando anche a creare una ridondanza del contenuto

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informativo aumentare la capacità discriminatoria delle volte complementare ovvero si

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mettono insieme immagini anatomiche con immagini funzionali oppure immagini che mettono

in risalto tessuti molli e immagini che mettono in risalto struttura ossea.

ASPETTI SU CUI SI CONCENTRA LO STUDIO → →

Trattiamo adesso gli aspetti di focus affinché la chirurgia robotica possa svilupparsi possiamo

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distinguere 4 aree tecnologia deve aiutare a raggiungere zone anatomiche ostiche abbiamo

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visto il caso del CyberKnife limitare invasività sul paziente studio riguardo ai materiali

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utilizzabili per rendere gli endoscopi e gastroscopi + flessibili e meno invasivi soft robotics

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essere sicuri qui ci si concentra sulla parte di visione aumentata e segmentazione dei tessuti

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ci aiuta l’AI in questo contesto possiamo avere anche trasparenza per vedere cosa sta sotto

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organo oppure identificare delle zone no fly zone aree di sicurezza dove robot non deve

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andare early diagnosis riuscire a fare prevenzione riuscire a prendere la malattia in tempo

per riuscire a trattarla in maniera efficace.

02 SOFT ROBOTICS

INTRODUZIONE

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Definizione il termine soft robotics viene utilizzata per indicare quella robotica che è formata

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da giunti che non sono rigidi ma hanno una rigidità variabile e hanno diverso controllo si

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tratta di un ambito di ricerca abbastanza giovane che ha forti applicazioni biomedicali aspetti

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studiati materiali attuatori sensori controllo design robot che incorporano questi

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materiali soft vantaggi e applicazioni nella parte di flessibilità per limitare l’invasività

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migliorare interfaccia uomo-robot negli esoscheletri end effector di un manipolatore che siano

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capaci di adattarsi a tutti i materiali che si trovano davanti aumento della sicurezza sia per

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paziente quando interagisce con robot perché ho materiali soft sia per robot stesso

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scontrandosi con oggetti essendo fatto con materiali soft può assorbire impatto paghiamo

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però l’efficienza energetica o meglio cambiano le strategie di controllo non dobbiamo

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controllare solo attuatore nei giunti ma tutto corpo deve diventare controllabile servono

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dunque attuatori che siano controllabili ed efficienti energeticamente.

ISPIRAZIONE BIOLOGICA → → →

Il mondo della robotica soft si ispira molto alla biologia animale vegetale e umano sia

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nella morfologia che nella funzionalità perché si osserva che la natura ha già trovato

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soluzione a diversi problemi nel corso dell’evoluzione si vede come alcuni animali vedi

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lombrichi non hanno corpi rigidi ma una struttura soft sono flessibili e riescono ad

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adattarsi anche ad ambienti non strutturati interagendo in maniera sicura con l’ambiente

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entrando in piccole fessure cambiando la loro forma bisogna capire quindi quale è il materiale

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adatto per trovare un punto di incontro tra funzione e grandezza per costruire questi scheletri

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flessibili detti scheletri idrostatici costituiti da camere dove variando la pressione del liquido

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mandato all’interno si riesce a variare la rigidezza della loro forma meccanismo che sostiene

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animali come lombrico lui ha una muscolatura che segue longitudinalmente il suo corpo

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poi un’altra struttura circolare si arriva quindi al lombrico robot dove la muscolatura è →

stata riprodotta usando materiale a memoria di forma per riprodurre il movimento del lombrico

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l’attuatore risulta essere così distribuito su tutta la superficie caterpillar questi presentano

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una cavità lunga tutto il corpo costituita da 2000 unità motorie qui troviamo solo muscoli

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longitudinali e aggiustando la pressione all’interno dei vari segmenti vanno a variare la loro

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rigidità riuscendo anche ad arrampicarsi anche in questo caso siamo andati a usare SMA

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attuatori a materiali intelligenti che scorrono su tutta la lunghezza e al variare della corrente

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fornita comincia a fare rolling spostandosi nell’ambiente cambiando forma e cominciando a

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rotolare polpi altro animale di interesse in particolare struttura e funzione dei tentacoli

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si cerca di mimare anatomia e fisiologia del movimento del tentacolo del polpo struttura si

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crea una maglia che ha sia parte circonferenziale che longitudinale ricreando muscoli con leghe

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a memoria di forma queste diverse molle adattandole a attuandole riusciamo a

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movimentare il tentacolo del polpo ovviamente non può elongarsi troppo ma può afferrare

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oggetti che gli vengono posti davanti applicazioni in ambito della chirurgia per operazioni

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endoscopiche in ambito di robotica assistiva per realizzare robot che aiutasse persone a

lavarsi.

ATTUATORI

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Premessa robot come tutti gli altri formato da una parte di sensing una parte di

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controllo e una parte di attuazione per quanto riguarda questa ultima parte

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parallelamente allo sviluppo della soft c’è lo sviluppo della micro elettronica e della circuteria

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perché serve un attuatore che sia comunque soft flessibile e strecciabile che possa essere

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facilmente integrato all’interno del robot quando scegliamo attuatore dobbiamo tenere conto di

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alcune caratteristiche la scelta migliore ricade sempre sul migliore trade off tra peso forza

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corrente richiesta voltaggio velocità di attuazione tipi di attuatori polimeri elettroattivi

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EAP attuatori che emulano + da vicino i muscoli biologici rispetto a qualsiasi altro attuatore

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prodotto dall’uomo questi comprendono una serie di materiali capaci di presentare un

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significativo cambiamento di forma in risposta alla stimolazione elettrica questi possono

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includere metalli liquidi leghe a memoria di forma polimeri fluidi gel carta e

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persino materiali a base di carbonio come nanotubi di carbonio sono caratterizzati da due

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membrane due elettrodi separati da questo film polimerico variando la corrente si ha che

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polimero materiale dielettrico che si trova tra queste due piastre viene a cambiare forma

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attuatori basati sulla neuro-stimolazione utilizzati molto nelle interfacce uomo-macchina ad

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esempio nell’attuazione di una protesi questi devono andare a decodificare il segnale che arriva

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direttamente