Appunti Robotica e simulazione chirurgica

1.INTRODUZIONE ALLA ROBOTICA CHIRURGICA

I robot vengono sviluppati per automatizzare tasks ripetitivi e complessi in maniera + precisa ed efficace.

L’evoluzione + importante si ha nel 19esimo secolo con la scoperta dei raggi X che permettono di vedere

all’interno del corpo senza dover tagliare il paziente. Inoltre i robot entrano a far parte del mondo dell’industria

contemporaneamente allo sviluppo dei tools chirurgici. Nel 1985 per la prima volta entra in sala chirurgica il

robot Puma, fino a quel momento utilizzato solo per scopi industriali. Ad oggi l’obiettivo è capire quali sono i

punti da migliorare e le richieste da elaborare utilizzando nuove tecnologie software e integrando l’AI per

migliorare alcune capacità del robot, come la visione e la flessibilità.

OBIETTIVO

In generale l’obiettivo della robotica chirurgica è quello di migliorare le tecniche della chirurgia tradizionale e

aumentare la abilità e capacità del chirurgo. Come per esempio mitigare il tremore fisiologico mediante dei

manipolatori, migliorare la visualizzazione delle strutture anatomiche con immagini mediche, eseguire tasks

chirurgici utilizzando semplici interfacce. Si deve tener conto di 4 aspetti:

1) PAZIENTE: deve essere soggetto a meno rischi possibili e il suo tempo di ospedalizzazione va ridotto al

minimo

2) CHIRURGO: il chirurgo ha bisogno di una maggiore ergonomia rispetto alle tecniche MIS, ha bisogno di

aumentare le proprie abilità, deve garantire safety e security nei confronti del paziente, deve adattare il

proprio comportamento alle circostanze e deve ricevere supporto dal team di sala nelle fasi di decision

making.

3) TEAM DI SALA: ha necessità di promuovere la comunicazione nella sala operatoria dal momento in cui

il chirurgo è seduto lontano e soprattutto devono agire come un vero e proprio team.

4) CONTESTO: inizialmente le sale operatorie erano ambienti isolati, mentre adesso devono essere

ambienti integrati al fine di:

-->garantire la piena consultazione delle risorse cliniche in modo ergonomico e funzionale

-->corretta alimentazione delle risorse cliniche

-->corretto utilizzo dei nuovi tools e delle nuove tecnologie a disposizione sul mercato

-->corretta gestione dei flussi di lavoro

SALA IBRIDA

La SALA IBRIDA è una sala operatoria dove è possibile realizzare interventi complessi con tecniche di chirurgia

cardiaca, vascolare e emodinamica. Al suo interno vi sono gli strumenti di diagnostica radiologica e le

attrezzature chirurgiche e anche lo stesso lettino è adatto sia agli interventi chirurgici sia agli approcci

percutanei.

Il vantaggio è che in una sala ibrida possono essere eseguiti interventi complessi, che richiedono la presenza

contemporanea in sale del chirurgo e altre figure, permettendo di dare al paziente tutte le tecniche e i

trattamenti possibili. Tutto questo permette quindi di rispondere in maniera + efficace alle complicanze.

la sala operatoria ibrida coinvolge un numero considerevole di soggetti, infatti comunemente può contenere

équipes formate da 8 fino a 20 persone.

Per questo il passaggio da una sala operatoria convenzionale a una ibrida è complesso, per la necessità di un

maggiore spazio sia della workstation sia per l’aumento del personale.

I dati che possiamo trovare all’interno della sala operatoria ibrida sono:

Segnali vitali del paziente

> Gestione video e audio intra-operatori

> Archiviazione dei contenuti video

> Live surgery

> Accesso ai dati clinici (immagini, dati pre-operatori, dati di laboratorio)

> Gestione attività di sala (registro operatorio, controllo efficienza, magazzino)

>

Per venire in contro ai bisogni dei 4 aspetti prima citati (paziente, chirurgo, team e contesto) si deve garantire:

Necessità cliniche

➢ Sicurezza

➢ Layout tecnologici ergonomici

➢ Progettazione funzionale e ottimizzazione del flusso di lavoro

➢ Integrazione informativa sicura

➢ Ottimizzazione della sala operatoria e delle attività in essere.

➢

In particolare per migliorare il lavoro del team in sala operatoria, è stato osservato il pit stop della Ferrari, per

capire come tante persone vicine con skills diverse lavorano come un team muovendosi all’unisono per la

riuscita di un certo task con rapidità.

DIAGRAMMA A BLOCCHI DELLE FUNZIONI COGNITIVE DEL CHIRURGO

Dalla sala operatoria arrivano

degli input che vengono

analizzati dal sistema di

percezione e di visione del

chirurgo.

Questi input vengono poi

processati dal suo sistema

cognitivo dove all’interno sono

presenti delle rappresentazioni

della situazione date da esperienze precedenti ormai analizzate e assimilate. Il comando viene poi trasmesso

al sistema neuro-muscolare e l’azione fisica viene compiuta. Tramite il sistema sensoria vengono inviati

feedback all’unità di processing.

Durante un’operazione chirurgica minimamente invasiva (MIS) il diagramma a blocchi diventa + complesso:

i 3 blocchi principali sono: il chirurgo, le figure che lo

assistono e il paziente.

Il chirurgo ha molti + input, come: informazioni pre-

operative, task 3D, informazioni provenienti dal

laparoscopio (informazioni aptiche e visive, quindi le

informazioni di percezione che sono però ridotte rispetto

a quelle della chirurgia open).

Il chirurgo usa tutte queste informazioni per manipolare

il laparoscopio e agire sul paziente.

In questo contesto il chirurgo ha i seguenti bisogni:

• Feedback aptico

Aptico= ritorno della forza tramite lo stesso canale (es. pressione sul dito)

Pseudo-aptico= ritorno della forza tramite un canale diverso (es. canale visivo: ovvero se premo, vedo la

forza che ho utilizzato su un grafico che aumenta e diminuisce)

• Eye tracking

• Controllo della voce

• Realtà aumentata

• Flessibilità

Le sfide che deve affrontare il chirurgo si possono suddividere in 3 categorie:

1) DECISION MAKING: deve prendere decisioni riguardo ai migliori step successivi da fare sul paziente in

ogni fase dell’operazione, quindi in real time. Ovviamente deve tenere conto delle informazioni

multimodali (imaging diversi, per esempio anatomico e funzionale) e deve decidere come trasferire la

decisione al robot con varie tipologie di controllo (autonomo, tele-operato, controllo condiviso).

2) NAVIGAZIONE INTERNA: deve muoversi e navigare dentro al corpo umano senza rischiare di arrecare

danni ai tessuti. Questo comporta vari problemi:

-->path planning: può essere molto difficile in organi complessi come il tratto gastro-intestinale

-->visione: necessità di soluzioni come la realtà aumentata perché non si vede cosa si sta facendo

3) RICONOSCIMENTO DI UN OGGETTO: deve saper riconoscere gli oggetti, i tessuti e gli organi durante

l’operazione tramite l’uso dell’aptica e deve aggiornare il piano operatorio in real time a seguito del

riconoscimento.

REQUISITI CLINICI

Dato che il paziente, il chirurgo e il team di sala appartengono all’ospedale ci sono dei requisiti da rispettare:

a) TEMPI OPERATIVI: possono essere molto lunghi, dato che nella MIS non c’è feedback tattile del chirurgo

che deve basarsi solo sull’informazioni visiva ottenuta tramite telecamera. Si cerca di individuare un

modo per ridurre al minimo il tempo operativo di ogni fase dal momento in cui il paziente arriva in

ospedale, in modo da ridurre anche i costi.

b) COMPLESSITA’ DEL SISTEMA: i sistemi non devono essere troppo complicati, perché i chirurghi devono

impararli, quindi se il processo rimane sempre simile il tempo si riduce poiché il chirurgo l’ha già

imparato

c) INTEGRAZIONE DEI DATI: i dati provenienti da tutte le fonti (anche diverse) devono essere integrati

d) COSTI: costi e benefici devono essere adeguati e giustificati, poiché il robot verrà comprato solo se

conveniente.

REQUISITI TECNICI

1) È importante sviluppare nuove tecnologie per avere nuove procedure chirurgiche

2) Queste tecnologie aiutano a rendere la piattaforma del chirurgo, i tools e le parti di visualizzazione e

controllo adatte alla procedura, considerando anche gli aspetti ergonomici

3) Le piattaforme devono essere di piccole dimensioni e di peso ridotto, perché sono più semplici e veloci

4) I tools devono essere flessibili il + possibile e la loro risoluzione di movimento deve essere adatta ad

ogni tipo di operazione

5) I movimenti devono essere scalabili

6) i DOF devono essere aumentati

7) Usare moduli wireless per controllare gli strumenti garantisce una migliore destrezza nel controllo del

movimento

8) Il design dei tools chirurgici dovrebbe permettere al chirurgo di raggiungere ogni punto del workspace

BISOGNI DELLA ROBOTICA CHIRURGICA NELLE APPLICAZIONI CLINICHE

Aiutare il chirurgo a raggiungere aree irraggiungibili con la chirurgia tradizionale

➢ Per fare questo le 2 applicazioni principali sono:

MIS (intra, trans e extra-luminale)

→chirurgia robot Cyberknife, costituito da un end effector, che lancia raggi in grando di colpire la

→radioterapia:

massa tumorale del paziente

Limitare l’invasività:ad esempio utilizzando materiali soft, flessibili o dispositivi wireless)

➢ Garantire la sicurezza, migliorando il sistema di visione e aggiungendo un layer di realtà aumentata per

➢ delineare dei bordi di sicurezza oltre i quali il chirurgo non deve andare e per la segmentazione dei

tessuti

Cercare di fare diagnosi precoci e tempestive in relazione alla prevenzione

➢

AUTONOMIA

AUTONOMIA= capacità di eseguire compiti previsti sulla base dello stato attuale e delle sensazioni, senza

l’intervento umano. Si può intendere come una scala a + livelli, in cui per ora il livello massimo di autonomia

del robot non è stato raggiunto.

0) Chirurgia tradizionale in cui non c’è automazione e fa tutto il chirurgo

1) Si ha un po’ di assistenza tecnologica che fornisce al chirurgo alcune informazioni. Il chirurgo mantiene

comunque la capacità decisionale, ma riceve un aiuto

2) È richiesto l’intervento umano per impostare il lavoro, ma poi il robot ha una certa autonomia

3) Il robot ha un’autonomia condizionata, ovvero è in grado di fare dei processi di planning intra-operatorio

in maniera automatica

Vantaggi dei robot chirurgici rispetto agli esseri umani:

+ Non soggetti ad affaticamento

+ Assenza di tremore fisiologico

+ Capacità di scalare il movimento

+ Maggiore gamma di movimento assiale

+ Tassi di mortalità + bassi per alcune procedure

+ La combinazione dei robot chirurgici con gli algoritmi di controllo dell’AI permettono di ridurre gli errori

e i tempi operativi, migliorando l’accesso alle aree del corpo difficili e migliorando quindi i risultati.

Ci muoviamo sempre di più verso robot completamente autonomi supportati dall’AI, tramite cui il robot può

imparare a VEDERE, PENSARE e AGIRE, grazie all’esperienza pregressa.

Questo dipende da 3 parametri fondamentali:

1) COMPLESSITA’ DELLA MISSIONE (task)

2) DIFFICOLTA’ DELL’AMBIENTE DI LAVORO: dove devo andare ad operare (per es. distretto del corpo

umano, corpo rigido o molle, ecc..), quindi devo capire quali sono le condizioni al contorno.

A causa della natura altamente deformabile degli ambienti dei tessuti molli, della presenza di organi

cavi suscettibili alla rottura e della delicatezza dei tessuti, raggiungere un dispositivo chirurgico

autonomo clinicamente praticabile e versatile richiede ancora un notevole sviluppo.

Quindi si deve cercare di avere robot che siano in grado di imparare dinamicamente, per cercare di

capire come agire davanti a delle situazioni sconosciute, basandosi su esperienze precedenti e

situazioni note.

3) INDIPENDENZA DALL’UOMO: livello di autonomia

Per consentire questo, il robot autonomo possiede:

Sensori visivi e fisici che percepiscono l’ambiente

➢ Un processore centrale che riceve input sensoriali e calcola le uscite

➢ Attuatori meccanici che consentono il completamento di attività fisiche

➢

SCHEMA A BLOCCHI DEL ROBOT COMPLETAMENTE

AUTONOMO

Gli input sono tantissimi e svariati e descrivono la

realtà che viene poi processata dagli algoritmi di

machine learning con cui il robot si allena e

acquisisce nuove skills.

Utilizzando l’AI e le banche dati, si riesce a gestire una

maggiore quantità di dati e quindi si riesce a ricavare +

velocemente le informazioni rilevanti e le relazioni tra i

dati.

Le tecniche di apprendimento di rinforzo (reinforcement rechniques) trattano il fatto che il robot impara

facendo la stessa azione + volte.

FUNZIONAMENTO DI UNA PROCEDURA CHIRURGICA UTILIZZANDO UN ROBOT

Si hanno 3 fasi principali:

FASE PRE-OPERATORIA: vengono acquisiti tutti i dati dal

➢ paziente specifico, da atlanti o da altri pazienti

(informazioni multimodali-->in particolare parlando di

imaging multimodale, si hanno informazioni sullo stesso

organo prese da diverse fonti/strumentazioni).

Queste informazioni vengono integrate per realizzare un

modello paziente-specifico. Poi viene fatto il planning

operatorio.

FASE INTRA-OPERATORIA: il modello/planning viene

➢ passato al robot, il quale elabora i dati e comunica al chirurgo cosa sta succedendo. Durante questa

fase si acquisiscono nuovi dati/immagini e viene fatto un update dal modello e del piano operatorio in

real time (se necessario).

FASE POST-OPERATORIA: raccogliendo tutte le informazioni pre- e intra-operatorie, si può fare

➢ un’analisi retrospettiva, quindi una valutazione su com’è andata l’operazione. Tutte le

informazioni/immagini possono essere condivise in un database e riutilizzate per interventi simili o per

il training medico. 2.DALLA CHIRURGIA OPEN ALLA MIS

CLASSIFICAZIONE CHIRURGIA

(tassonomia)

CHIRURGIA ROBOTICA: è una procedura chirurgica o

tecnologia che aggiunge un dispositivo all’interazione tra

un chirurgo e un paziente durante un’operazione

chirurgica e presuppone un certo grado di controllo che

fino ad adesso è sempre stato riservato al chirurgo.

In base al tipo di manipolazione e visualizzazione, la chirurgia in generale si può classificare in:

1) OPEN SURGERY: manipolazione e visualizzazione diretta del

chirurgo, il quale entra direttamente in contatto con il paziente

senza alcun tipo di tools operatorio

2) HAND ASSISTED LAPAROSCOPIC SURGERY(HALS):

manipolazione diretta tramite tools (contatto diretto) e

visione indiretta tramite laparoscopio (telecamere).

Sull’addome del paziente vengono fatte 3 incisioni:

una per il sistema di visione e nelle altre 2 vengono inseriti i trocar, nei quali si possono inserire

strumenti e mani del chirurgo, infatti l’incisione è + grande.

È una combinazione di laparoscopic e open surgery.

3) CHIRURGIA CON PICCOLE INCISIONI: manipolazione indiretta tramite tools e visione diretta del

paziente

4) CHIRURGIA LAPAROSCOPICA (MIS:

Minimally Invasive Surgery): manipolazione

e visione indiretta. Vengono fatte piccole

incisioni nel corpo del paziente per raggiungere la cavità addominale. Queste incisioni sono utilizzate

per inserire telecamere e trocar per gli strumenti.

Considerando i due estremi, quindi

chirurgia open e laparoscopica, ciascuna di

queste ha vantaggi/svantaggi:

Laparoscopia:

+ minor danneggiamento dei tessuti

+ minor tempo di ricovero e degenza

+ minor costo dell’operazione

- training molto maggiore

Open surgery:

+ minor complessità dell’operazione

+ minor costo del trattamento post-operazione

MIS (Minimally Invasive Surgery)

VANTAGGI:

+ Minor trauma per il paziente

+ Meno cicatrici e estetica migliore

+ Riduzione del rischio di infezione

+ Tempo di recupero + breve

+ Riduzione dei costi

SVANTAGGI

− Limitazione visiva:

mono-oculare dovuta alla presenza di una sola camera

→visione del campo visivo (utilizzando una telecamera, si ha il passaggio da 3d a 2d)

→limitazione

risoluzione spaziale e cromatica che dipende dal monitor che sto usando (l’informazione

→bassa

cromatica è importante perché la colorazione di alcune parti anatomiche può dare informazioni e

suggerimenti rilevanti, come per esempio il sangue scuro è sinonimo di emorragia)

− Limitazione motoria:

fulcro (inversione del movimento fatti dal chirurgo da parte dello strumento interno al corpo)

→effetto di destrezza (si passa da 6DOF a 5DOF→ manca 1DOF)

→perdita del workspace

→limitazione

− Limitazione aptica:

della percezione

→riduzione

informazione tattile

→nessuna informazione sulla forza applicata

→nessuna

SCALABILITA’: può essere sia un vantaggio (perché permette di fare movimenti + fini rispetto al chirurgo) sia

uno svantaggio (perché si ha una scala diversa rispetto a quella del chirurgo).

CLASSIFICAZIONE MIS (tassonomia)

INTRA-LUMINALE (endoluminale): consiste nel portare un set di strumenti

➔ nell’area di interesse, non facendo incisioni ma passando attraverso i lumi

naturali del corpo.

Al contrario delle procedure extra-luminali, queste sono confinate in uno spazio

operativo + stretto e ciò definisce la dimensione e configurazione dei tools che vengono utilizzati.

Endoscopi tradizionali=garantiscono affidabilità dell’operazione chirurgica attraverso i distretti dell’apparato

gastro-intestinale.

Endoscopi flessibili= vengono inserito dall’orifizio orale o anale, solitamente hanno una punta orientabile che

permette di guidare il dispositivo verso le regioni di interesse, tramite un sistema di attuazione controllato da

una manopola esterna.

Dato che la configurazione dei lumi non è lineare (diametro variabile e spesso molto piccolo), dato che si

hanno dolori e problemi con le procedure di sedazione/anestesia e che alcune aree del tratto gastro-intestinale

sono irraggiungibili, è importante avere strumenti flessibili per gar