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Terapia e Chirurgia

MUSHA Hand II: il nuovo tool di supporto alla chirurgia laparoscopica

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Scritto da Renato De Falco

Le innovazioni ingegneristiche nel settore medicale hanno rivoluzionato la storia della chirurgia, in particolar modo quando si parla di chirurgia robotica. L’utilizzo di mezzi robotici in ambito medico permette all’operatore di godere di una migliore visuale del campo chirurgico e di una coordinazione occhio-mano superiore. Inoltre ciò riduce significativamente i tempi di degenza ospedaliera per i pazienti, favorendo un recupero post-operatorio rapido e generalmente con meno dolore. Tuttavia, nonostante i progressi tecnologici, anche nell’utilizzo di questi mezzi ci si imbatte in alcuni limiti (come la mancanza di feedback tattile) che, in alcuni casi, possono influire sul lavoro svolto dal chirurgo.

Il lavoro dell’ICAROS Center, Centro Interdipartimentale di Ricerca in Chirurgia Robotica dell’Università Federico II di Napoli, è finalizzato a soddisfare le esigenze del medico che si appresta ad utilizzare la chirurgia robotica. MUSHA Hand II, sviluppata dal team di ricerca, è una vera e propria mano multifunzionale in miniatura dotata di sensori di forza. Un tool pensato in relazione ai sistemi robotici attualmente in uso per la laparoscopia (come il Da Vinci Surgical System).

La robotica incontra la laparoscopia: il futuro della chirurgia

Mai sentito il detto “grande taglio, grande chirurgo“? Questo proverbio riassumeva la filosofia della chirurgia durante il secolo scorso. Seppure il concetto di mini-invasività non sia mai stato alieno alla medicina, in passato la gran parte di interventi o diagnosi veniva svolta in laparotomia, incidendo l’addome ed esponendo gli organi contenuti nella cavità addominale, consentendo al chirurgo di operare.

Le cose, però, erano destinate a cambiare: l’innovazione tecnologica iniziò a supportare in maniera sempre più efficiente i camici bianchi. Nel corso degli anni la laparoscopia si fece largo nelle sale operatorie e la robotica prese il sopravvento. Nel 1985 fu cosi sviluppato Puma 560, il primo robot chirurgico.

Ad oggi è la Intuitive Surgical a detenere il monopolio sul mercato con il Da Vinci Surgical System: un sofisticato robot chirurgico utilizzato, tra gli altri, in ambito uro-ginecologico e cardiotoracico.

Gli elementi di un robot chirurgico

Per capire appieno i vantaggi e le potenzialità di questi sistemi chirurgici, bisogna prima esaminarne la composizione ed il funzionamento. Il sistema robotico Da Vinci, ad esempio, è formato da tre componenti principali:

  • Console chirurgica: dislocata rispetto al paziente e al campo sterile, è il mezzo di interazione tra chirurgo e robot. Un sistema visivo stereoscopico 3D immerge l’operatore direttamente nel campo chirurgico. Tramite due manipolatori, definiti controllori master, e due pedali, il chirurgo riesce a controllare il robot e operare con una precisione notevolmente migliorata. Il sistema, oltre a filtrare il tremore naturale dell’operatore, è in grado di scalarne il movimento fino ad un massimo di 3:1 (se il chirurgo si muove di un fattore 3, il tool compirà un movimento di fattore 1), favorendone la precisione. I pedali in dotazione, invece, servono per controllare un terzo strumento ed una videocamera endoscopica.
  • Carrello paziente: è la parte operativa del sistema, capace di replicare i movimenti svolti dal chirurgo nella console tramite quattro braccia robotiche sulle quali vengono installati gli strumenti e la videocamera. Gli strumenti attualmente in uso godono di tecnologia Endowrist, che consente un movimento su sette assi (7 gradi di libertà).
  • Carrello video: è il nucleo del sistema; contiene l’unità centrale di elaborazione, un monitor touchscreen e alcuni ripiani regolabili per attrezzature chirurgiche ausiliarie, come unità elettrochirurgiche o insufflatori. L’endoscopio cattura l’immagine del campo visivo e trasmette, lungo dei cavi in fibra ottica, le informazioni alla testa della videocamera stereo ad alta definizione.

Con questa panoramica è possibile inquadrare il contesto applicativo del tool proposto dal team di ricerca partenopeo.

MUSHA Hand II: un progetto tutto partenopeo

Fondato nel marzo 2016 dai Professori Vincenzo Mirone e Bruno Siciliano, l’ICAROS Center utilizza le proprie risorse per introdurre nuove tecnologie assistite dai sistemi robotici alle pratiche cliniche e chirurgiche attuali. Grazie alla ricerca sulle nuove tecnologie nel settore medicale, la video-laparo-chirurgia è riuscita a confutare le tesi contrastanti sostenute dalla comunità scientifica quando si discuteva dell’introduzione di tale tecnologia in ambito medico.

Figura 1. Da sinistra verso destra: i Professori Bruno Siciliano, Vincenzo Mirone e Fanny Ficuciello. Credits: ICAROS Center

Ad oggi i vantaggi sembrano superare di gran lunga gli svantaggi, che tuttavia persistono. L’obiettivo del progetto MUSHA, coordinato dalla Professoressa Fanny Ficuciello, è progettare e controllare le mani del futuro, affrontando sia problematiche intrinseche delle mani robotiche da utilizzare in sistemi destinati alla laparoscopia robot-assistita, sia delle mani robotiche biomimetiche che possono svolgere le normali attività quotidiane dell’utente (Figura 1).

Gli strumenti da presa ad oggi utilizzati in chirurgia robotica sono pinze non sensorizzate e con funzioni limitate. MUSHA Hand II rappresenta una nuova generazione di tool, multifunzionale e dotata di sensori di forza a tre assi.

Composizione e funzionamento

Il sistema è costituito da tre dita, un’unità di azionamento e un tubo del diametro di 12 mm lungo 35 cm (molto simile in dimensioni agli strumenti Endowrist di casa Intuitive). La mano può essere ripiegata in una forma cilindrica e introdotta nell’addome del paziente attraverso un trocar del diametro di 13 mm (Figura 2a-b). Una volta inserita nell’addome, la mano può assumere diverse configurazioni a seconda delle esigenze, quali pinza, divaricatore o strumento per manipolare e tastare.

Figura 2. Panoramica dello strumento equipaggiato al DVRK (Da Vinci Research Kit). a) Le tre componenti principali. b-c) Strumento montato su uno dei PSM (Patient Side Manipulator), uno dei bracci robotici del carrello paziente. d-f) Alcune configurazioni della mano.
Credits: ICAROS Center

Si tratta di uno strumento altamente sotto-attuato (guidato da soli 6 gradi di libertà), seppure dotato di 34 articolazioni: 11 per ognuna delle 3 dita e 1 che permette la rotazione dello strumento stesso.

Questo design sotto-attutato, unitamente alla presenza di componentistica elastica, permette una presa adattiva. I sensori di forza, presenti all’estremità di ogni dito, permettono invece di avere informazioni sulla forza di contatto, garantendo un’interazione sicura con gli organi.

Scendendo più nel dettaglio, le dita sono principalmente suddivise in parte prossimale, composta da 6 vertebre, e distale, composta da 5. Tutte le vertebre delle dita sono collegate tra loro mediante delle barre in nitinol, una lega SMA (a memoria di forma) composta da nichel e titanio.

Nello specifico:

  • Il segmento distale è guidato da due tendini, che è possibile estendere/flettere grazie all’azionamento di un motore. E’ all’estremità di questo segmento che vengono posizionati i sensori di forza.
  • Il segmento prossimale, invece, è suddivisibile in due ulteriori sotto-segmenti: il P1 e il P2. Come per il segmento distale, anche per il sotto-segmento P1 è una coppia di tendini a governarne il movimento. Quando il sotto-segmento P1 viene flesso (Figura 3d), verso l’esterno o verso l’interno, il segmento P2 si piegherà in maniera opposta data la presenza di due ulteriori tendini (Figura 3c) ancorati da un’estremità alla base delle dita, dall’altra all’estremità del segmento prossimale (Figura 3).
Figura 3. a) Rappresentazione d’insieme delle parti che costituiscono le dita di MUSHA Hand II. b) Dettaglio del segmento distale: in rosso i tendini che permettono la sua flessione. c-d) Dettaglio del segmento prossimale: la prima figura evidenzia anche l’ulteriore suddivisione nei sottosegmenti P1 e P2. e) Rappresentazione di una delle 6 vertebre del segmento prossimale visto dall’alto. La vertebra è cava in modo da permettere il passaggio dei cavi necessari ai sensori di forza. Credits: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

Ogni configurazione della mano, grazie al suo particolare design, segue delle curve morbide. Ciò la rende sicura nell’utilizzo e permette di essere rivestita di un guanto elastico non perforabile, caratteristica indispensabile anche a preservare la sterilità dello strumento.

Sensori di forza e feedback tattile

Il percorso di formazione per il chirurgo che vuole specializzarsi nella chirurgia robotica è particolarmente lungo. Questo perché bisogna imparare a convivere con i limiti che tali sistemi impongono, come l’assenza di feedback tattile. Valicare tali limiti, agevolerebbe il lavoro del chirurgo, fornendo una migliore consapevolezza delle operazioni svolte in console.

Per questo motivo MUSHA Hand II è stata munita di sensori di forza, in grado di riportare al chirurgo informazioni sulla pressione applicata (Figura 4). I sensori in questione, posizionati alle estremità delle dita robotiche, utilizzano una tecnologia basata su componenti ottiche e materiali deformabili.

Figura 4. a) Immagine di confronto relativa alle dimensioni contenute dei sensori. b) Composizione dei sensori: su un circuito stampato, inserito in un supporto stampato in 3D, sono posti 4 fotoriflettori composti da un LED ad infrarossi e un fototransistor che, rispettivamente, svolgono i ruoli di emettitore e ricevitore. c) Immagine del supporto nero stampato in 3D, che viene posto tra il pad in silicone e il circuito stampato per evitare eventuale crosstalk. Credits: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

Prospettive future

Il team di ICAROS, dimostrata la potenziale fruibilità di MUSHA Hand II, mira a incrementare ulteriormente la destrezza e la praticità d’uso nel campo chirurgico dei tool di supporto alla laparoscopia. Nell’attuale periodo storico colpito dalla pandemia da SARS-CoV-2 (COVID-19), con l’avvento delle reti 5G e della realtà aumentata, telemedicina e chirurgia in remoto sembrano rappresentare al meglio il futuro della chirurgia moderna. Saranno infatti progetti come quello sviluppato dall’ICAROS Center a definire questo futuro. Non resta che attendere altri eventuali sviluppi e, perché no… magari anche un intervento in orbita!

MUSHA Hand II in azione. Credits: ICAROS Center

Fonti e approfondimenti:
  • IEEE Xplore – The MUSHA Hand II: A Multi-Functional Hand for Robot-Assisted Laparoscopic Surgery
  • ICAROS Center – Progetto MUSHA
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Informazioni autore

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Renato De Falco

Studente di Ingegneria Biomedica presso l'Università Federico II di Napoli. Appassionato di Digital Health e tecnologie, principalmente in ambito biomedicale.

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