ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
20-dic-2022
2021/2022
La chirurgia fetale è una tipologia di procedura mininvasiva, effettuata su feti affetti da particolari difetti, quando ancora si trovano all’interno dell’utero materno. Tali tecniche aiutano a migliorare le condizioni del feto nel lungo periodo, successivamente al parto. Tra le molte patologie che possono essere trattate attraverso la chirurgia fetale vi è la cosiddetta ernia diaframmatica congenita (CDH). Essa è un difetto embrionale caratterizzato dal mancato sviluppo o dallo sviluppo incompleto del diaframma. Ciò determina il passaggio e lo sviluppo degli organi addominali nella cavità toracica, comprimendo i polmoni. Attualmente, l’ernia diaframmatica congenita viene trattata attraverso l’occlusione della trachea per mezzo di un palloncino posizionato e gonfiato in sito tramite un catetere (procedura mininvasiva). Di particolare importanza per la corretta riuscita dell’intervento, risulta essere l’utilizzo del fetoscopio (endoscopio utilizzato in chirurgia fetale). Generalmente, questi ultimi sono strumenti rigidi a curvatura fissa. Tale struttura aumenta notevolmente il rischio di esercitare un’eccessiva forza, con conseguente danno ai tessuti sia del feto che della madre. L’utilizzo di sistemi robotici può risultare decisivo per ridurre tali rischi. In questo progetto di tesi ci si è focalizzati su un determinato gruppo di sistemi robotici, i cosiddetti muscoli pneumatici artificiali (PAM) del tipo “McKibben”, scelti per le loro dimensioni ridotte, flessibilità e capacità di sviluppare forze significative. Tuttavia, il loro utilizzo è limitato dalla presenza di isteresi durante le fasi di rilassamento e contrazione, che impedisce di determinare, con assoluta precisione, la loro posizione istante per istante. Per tale ragione, a questi attuatori sono spesso associati particolari sensori che ne permettono di misurare direttamente lo stato di contrazione. Per questo progetto di tesi ci si è indirizzati verso la realizzazione di un muscolo artificiale con annesso sensore di tipo induttivo. Due diverse versioni sono state realizzate, una prima caratterizzata da un rivestimento in silicone e una seconda priva di esso. A seguire, questo primo prototipo è stato confrontato (in termini di caratteristiche meccaniche ed elettriche) con un secondo attuatore con sensore di tipo capacitivo, anch’esso realizzato al momento. Quest’ultimo attuatore è stato sviluppato seguendo il procedimento utilizzato per un precedente lavoro di ricerca nel nostro laboratorio. Inoltre, entrambi i prototipi sono stati confrontati con un terzo privo di sensori, al fine di determinare in quale maniera la presenza di un sensore influenzi le caratteristiche meccaniche dell’attuatore. Infine, i risultati ottenuti nei test sperimentali sul muscolo induttivo sono stati confrontati con i risultati derivanti dal modello teorico utilizzato per caratterizzare la variazione del valore di induttanza rispetto alla variazione di lunghezza del muscolo stesso.
Fetal surgery is a minimally invasive procedure performed on an unborn fetus with specific birth defects, in the uterus of the mother, to help improve their future conditions. Among the several birth defects that can be treated, this thesis focuses on congenital diaphragmatic hernia (CDH). This pathology consists of the presence of a hole in the diaphragm which allows the bowel, stomach or even liver to move into the chest, limiting the space for the lungs and resulting in respiratory complications. Currently, congenital diaphragmatic hernia is treated through a minimally invasive tracheal occlusion, obtained through the placement and inflation of a catheter-delivered balloon. This condition leads to the accumulation of fluids in the lungs and subsequent lung growth. Finally, the balloon is removed through a second surgical procedure. Of fundamental importance for the procedure is the use of the fetoscope for looking directly at the fetus within the womb. Fetoscopes are generally rigid instruments with fixed curvature. This characteristic increases the risk of damage of fetal or maternal tissues due to the application of excessive force from the surgeon. In this scenario, robotic systems could provide important support to the procedure through better stabilization of instruments and knowledge of their position (with respect to biological tissues), better control of the force exerted on the tissues and a greater range of motion for the surgeon. Different kinds of robotic systems are now available, depending on the goal one wants to reach. In our case, we have focused on the use of McKibben muscles, a subcategory of the larger group represented by pneumatic artificial muscles (PAMs), due to their characteristic of being small, strong yet flexible actuators. McKibben actuators are significantly light and soft actuators able to decrease/increase their actuating length when pressurized and produce a significant force when fully stretched. Even though the use of PAMs shows important advantages for this kind of medical procedure, the hysteresis related to these actuators makes their control challenging. For this reason, a direct measurement of the actuator state is desired. In this thesis project we have focused on the development and testing of an artificial muscle based on an inductive sensor. Moreover, these first kind of PAMs have been compared to a previous version of actuator tested in our laboratory, based on a capacitive sensor and to one free from any kind of sensor (used as reference); all of them were developed during this thesis project. Finally, the experimental results were compared to the theoretical ones, resulting from our model.