Robotica e simulazione chirurgica

ESEMPIO: ACROBOT ROBOTIC SYSTEM

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Cosa è a differenza di altre tipologie di robot come ROBODOC che nascono dall’adattamento di un robot

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industriale è stato costruito come un piccolo robot a bassa potenza ma con uno scopo specifico quindi

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progettato appositamente per l’utilizzo sicuro in ambiente operatorio sterile

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struttura è un manipolatore sferico con tre assi ortogonali di movimento ha portata relativamente

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ridotta e un campo angolare limitato il che consente una funzionamento preciso con motori a bassa

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potenza tipo di registrazione nelle prime fasi del progetto è stato utilizzato un metodo di registrazione

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con marker fiduciali questo prevedeva il posizionamento di 4 viti marcatrici prima dell’esecuzione della

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TC della gamba i 4 marker rappresentavano 4 punti non complanari tramite i quali era possibile calcolare

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la trasformazione R poiché questo metodo prevedeva un intervento chirurgico aggiuntivo per impiantare

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i marker è stato considerato invasivo e inaccettabile è stato quindi implementato un metodo di

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registrazione anatomica non invasivo basato su algoritmo ICP iterative closest point questo

determina la trasformazione di registrazione confrontando iterativamente un insieme di punti superficiali in

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un sistema di coordinate con la superficie corrispondente in un altro sistema la procedura è la

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seguente il chirurgo acquisisce 4 punti sull’osso per inizializzare l’algoritmo il chirurgo acquisisce un

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insieme di punti casuali sulla superficie ossea esposta l’algoritmo determina la corrispondenza tra questo

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insieme di punti e i modello della superficie ossea ottenuto nella fase preoperatoria tramite TC

l’accuratezza della registrazione non viene verificata tramite un software che consente di visualizzare

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graficamente la posizione dei punti toccati rispetto alla superficie ossea se la registrazione non è

sufficientemente accurata la procedura ICP viene ripetuta con un nuovo insieme di punti.

SISTEMI DI TRACKING

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Cosa sono è un sistema CAS passivo e non robotico privo di attuazione è un sistema di navigazione

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chirurgica che fornisce al chirurgo informazioni aggiuntive prima e durante l’intervento chirurgico tipi di

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navigazione per una parte fissa e rigida tipo osso navigazione radiologica durante un intervento la

visibilità delle strutture anatomiche target è spesso limitata e inoltre non tutti i tipi di imaging sono →

compatibili e garantiscono in modo continuo la visibilità di strutture e strumenti in contemporanea ad

esempio la TC fornisce maggiori dettagli rispetto ad una radiografia ma non consente di vedere la posizione

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attuale dello strumento chirurgico per una navigazione precisa sarebbe necessaria una TC che mostri sia

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lo strumento sia il target per questo è necessario un marker virtuale che visualizzi la posizione dello

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strumento nell’immagine TC per questo quindi si ha bisogno di due sistemi C-arm durante

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l’intervento le immagini a raggi X vengono acquisite mediante questo dispositivo mobile dotato di 5

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giunti due prismatici e tre rotazionali consente di acquisire immagine da diverse angolazioni

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IR tracking system è un sistema di tracciamento a infrarossi composto da una telecamera e da uno o

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più marker a infrarossi che possono essere riflettenti illuminati dalla telecamera oppure attivi

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dotati di LED a infrarossi i maker possono essere fissati a oggetti o strumenti presenti in sala operatoria

→ la telecamera di tracciamento è fissata alla parete della sala operatoria e fornisce il sistema di coordinate

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di riferimento il tracciamento a infrarossi rileva la posizione e l’orientamento del marker nello spazio

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procedura il marker 1 viene fissato sul C-arm il marker 2 viene fissato allo strumento chirurgico

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dopo aver praticato l’incisione cutanea un terzo marker viene rigidamente fissato all’osso

successivamente viene acquista un’immagine a raggi x dell’osso tramite C-arm e contemporaneamente

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viene registrata la posizione del marker tramite il sistema di tracciamento nota infatti la posizione del C-

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arm nello spazio è possibile calcolare le coordinate spaziali esatte dei punti dell’osso visibili

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nell’immagine a raggi x acquisita queste coordinate vengono calcolate rispetto al sistema di coordinate

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della telecamera a infrarossi ovvero quello di riferimento in questo posso guidare il robot verso un

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punto predefinito della superficie ossea se durante la procedura l’osso di muove è possibile calcolare e

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correggere lo spostamento tramite sottrazione delle coordinate

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calibrazione mano-occhio è il processo volto a determinare la mappatura spaziale tra il sistema di

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riferimento del C-arm e quello della telecamera a infrarossi navigazione stereotassica è un secondo

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metodo di navigazione tipicamente usata in neurochirurgia e consente di raggiungere con elevate

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precisione i bersagli nel cervello però è invasiva e dolorosa infatti viene eseguita sotto anestesia locale

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struttura durante la procedura la testa del paziente è mantenuta fissa nello spazio mediante un telaio

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composto da 3 parti la base del telaio fissata direttamente alla testa del paziente box con marker

→ questa viene fissata alla base e i marker consentono di mappare tutto ciò che si acquisisce con l’imaging

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catena cinematica passiva lo strumento chirurgico si può muovere su questa guida

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Procedura il team chirurgico prepara un piano di trattamento alla workstation del computer il piano

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viene definito nel sistema di riferimento del telaio stereotassico il paziente viene posizionato nello

scenario chirurgico e si acquisiscono immagini TC/RM con telaio e marker in posizione ottenendo sezioni

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verticali della testa in queste sezioni si possono osservare punti indicati come piccoli cerchi

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derivanti marker fiduciari →

Il telaio rimane in posizione fissa durante la procedura immobilizzando la testa del paziente una volta

determinata la posizione del bersaglio nelle immagini è possibile calcolare le impostazioni angolari per

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muovere passivamente lo strumento sulla guida e quindi ruotarlo fino alla posizione del target

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navigazione non invasiva per la testa la stimolazione magnetica transcranica TMS è un sistema non

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invasivo costituito da una bobina magnetica che stimola piccole aree del cervello per applicazioni

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diagnostiche la bobina viene tenuta dal chirurgo ma questo diventa difficile quando si deve mantenere il

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dispositivo nella stessa posizione per un periodo di tempo più lungo procedura viene fissata alla testa

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del paziente una fascia in velcro sulla quale sono posizionati dei marker a infrarossi i punti di superficie

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della testa vengono così acquisiti mediante un sistema di tracciamento a infrarossi vengono posizionati

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anche dei marker sull’end effector del braccio robotico dove si trova la bobina in modo che il chirurgo

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che comanda il braccio robotico possa andare a stimolare in punti precisi

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tracking in real time il tracciamento in tempo reale degli organi è difficile soprattutto in questa

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applicazione in particolare il robot può compensare piccoli movimenti della testa e i movimenti →

minimi della pelle possono essere rilevati da telecamere ad alta velocità o con tracciamento a infrarossi

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se si assume che il movimento osservabile della pelle sia correlato al movimento del tumore allora

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questo può essere utilizzato come segnale surrogato per tracciare il bersaglio interno compensazione del

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movimento guidato da immagini durante l’intervento per migliorare la precisione è necessario

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stabilizzare i movimenti fisiologici del corpo come respirazione e attività cardiaca viene quindi introdotto

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il concetto di compensazione del movimento che consiste nella stabilizzazione virtuale dell’immagine la

compensazione del movimento guidata da immagini nella chirurgia robotica assistita comprende 3

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sottoproblemi principali stabilizzazione dell’immagine sincronizzazione meccanica tra telecamera e

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target controllo condiviso del braccio robotico sul paziente gestito sia dal chirurgo per eseguire

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l’operazione che dal robot stesso per sincronizzarlo con il target in movimento procedura prima di

tutto viene fatta una ricostruzione della superficie e la stima del movimento della regione di interesse ROI

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ottenute tramite imaging questa stima permette di modificare in modo opportuno l’immagine

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annullando algoritmicamente il movimento e la deformazione della ROI questa trasformazione stabilizza

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virtualmente la ROI che viene mostrata al chirurgo i bracci robotici del manipolatore dal lato del paziente

devono essere regolati in posizione e orientamento per muoversi in modo sincrono con il movimento reale

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della ROI dato che nell’immagine l’organo appare stabilizzato se il chirurgo non muove lo strumento

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anche quest’ultimo apparirà fermo/stabilizzato anche nell’immagine Cyberknife la tecnica di

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compensazione si ritrova anche in questo robot in particolare sul paziente vengono messi dei marker

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ottici LED per la compensazione e marker fiduciali per localizzare con + accuratezza la zona tumorale

7D SURGICAL MACHINE-VISION IMAGE-GUIDED SURGERY

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Cosa è è un sistema di navigazione non invasivo per il cranio e la colona vertebrale che fornisce

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un’elevata precisione grazie all’impiego delle tecnologie di visione artificiale machine vision il

sistema consente ai chirurghi di eseguire rapidamente la registrazione delle immagini e iniziare la

navigazione senza la necessità di dispositivi intraoperatori che emettono radiazioni né di tecniche

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tradizionali di corrispondenza punto a punto componenti principali braccio chirurgico con braccio di

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estensione 1 monitor del chirurgo 4 monitor dell’operatore 5 workstation 6 pedaliera 9

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workflow del sistema il sistema è pr