Mechanical characterisation of an inchworm linear actuator with force sensing capabilities for keyhole neurosurgery

This thesis finds its collocation in the activity of research relative to the development of a surgical device for neurosurgical interventions, designed under the guide of the Bioengineering Department of the Politecnico di Milano at the Medical Robotics Lab of the Technion, Israel Institute of Technology, with the collaboration of the Information Engineering Department of the University of Siena.\\ The device consists of a linear actuator for the insertion of rigid probes in the brain, to be integrated in the implementation of mechatronics part of ROBOCAST, a project funded by the Seventh Framework Program (FP7) promoted by the European Union aimed for the creation of a of computer aided surgery system for robot assisted keyhole neurosurgery. Keyhole neurosurgery is a minimally invasive surgical technique that contemplates the insertion of surgical instrumentation by limiting the exposure of brain tissues during the intervention through a reduced dimension access (keyhole), if compared to traditional surgical techniques. Interventions commonly perforemed through a keyhole access include the removal of fluids and tissue samples for biopsy, emptying cysts and hematomas, removal of tumors and several other clinical applications, including the ablation of functional affected areas for chronic pain treatment, epilepsy, movement disorders and psychological or for electrodes placement during deep brain stimulation (DBS). The linear actuator consists of a guide for the probe to sliding; at the end of this guide there is an Inchworm motor, which consists of three piezoelectric actuators that set in motion three flexible parts. The two flexible parts at the extremities consist of two clamping mechanisms that clutch the probe, while the third pushes away the first two from each other. Alternating conveniently the clamping and extension phases, the probe can be moved forward or backward. One of the clamping mechanism hosts four strain gages that are deflected when the mechanism is clamped by the application of a force to the probe along axial direction, hence providing force signal; the position of the probe is given by an optical encoder installed in the sliding guideway. \\ The ROBOCAST project contemplates that the resistance encountered during the progress is reported to the surgeon's hand by a haptic manipulator that replicates the force signal obtained through the linear actuator, resulting in an active resistance to the movement of the surgeon's hand proportional to the resistance encountered by the probe. At the same time, the haptic device replicates the surgeon's hand movements into position and velocity signals used for driving the actuator. This approach required a master-slave communication protocol between the haptic device control (master) and the linear actuator (slave), and a real-time control system based on two microcontrollers: the first is devoted to signals elaboration and the serial communication with the haptic interface, while the second handles only the linear actuator motion algorithm. The first objective of the thesis was the writing and assessment of the firmware of both microcontrollers. During the experimental set-up the haptic system was replaced by a graphical user interface realized on a personal computer. In second place, to study the mechanical characteristics of the linear actuator under a dynamical point of view, a lumped parameter electro-mechanical model of the clamping mechanism equipped with the force sensors was derived. The model links the input voltage to the piezoelectric actuator with the effective displacement of the mechanism in correspondence with the contact point of the mechanism with the probe. The non linear effect of hysteresis induced by the piezoelectric material has been considered in the model, as well as the contact dynamics. The phenomenon of phase lag given by the hysteresis with respect to the input signal was modelled transposing in the electrical domain the analog of the effect given by the sliding of n elastic elements on a surface with Coloumb friction. The contact between probe and clamping mechansim was modelled as the impact between two second order spring-damper-mass systems whose reciprocal coefficient of restitution was interpretated as a non-linear damper, following the model proposed by Hunt and Crossling. The solving algorithm of the model was implemented graphically in Simulink environment. The identification of the unknown parameters of the model (describing the hysteresis and the contact interface) was performed by the search of a minimum of the quadratic error given by the difference between the simulation result and the real displacement of the mechanism through a genetic algorithm. The results showed a good adhesion of the model to the real displacement, with an error in the order of the um, whereas the amplitude of the motion considered was in the order of the thirty um. As test probe a Backlund biopsy needle with a diameter of 1.9mm was used. The third objective of the thesis was minimazing the oscillations of the mechanism during actuation, once identified the resonance frequency and the damping ratio describing the behaviour of the extending and clamping mechanisms. Using this values the parameters for a Zero Vibration command were defined, following the Input Shaping technique. The control algorithm of the inchworm motor modified using the input shaping parameters showed a remarkable reduction of the oscillation of the moving parts of the actuator with respect to the same not modified algorithm. The fourth and last objective of the thesis was the evaluation of the two motion algorithms on the measurement of force during the insertion of the probe in gelatine, used as model of the cerebral tissue. Following the evaluation of the dynamical characteristics of the force signal acquired by the LA during the advancement of the probe, the low-pass filters implemented in the firmware of the microcontrollers were defined, resulting in an overall cut-off frequency of 5 Hz, adequate to describe the dynamics of the force signal during advancement in gelatine. The force signal was evaluated for three series of ten experiments each for both the motion algorithms, varying the insertion velocities correspondent to the 50\%, 75\% and 100\%maximum applied voltage to the extending mechanism during a cycle of actuation of the inchworm motor. The acquisition was performed for every experiment using both the signal acquired from the strain gages and the signal acquired from a load cell supporting the gelatine sample. The overall accuracy of the system was evaluated by the calculation of the Root Mean Square Error (RMSE) given by the difference of the strain gages and the load cell signals. The minimum value obtained was 43 mN, in the case of reduced vibration by input shaping.

Questa tesi è inserita nell'ambito dell'attività di sviluppo di un dispositivo chirurgico destinato all'uso in interventi di neurochirurgia, progettato sotto la guida del Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di Milano al Medical Robotics Lab del Technion, l'Istituto di Tecnologia Israeliano e con la collaborazione del Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell'Università di Siena. \\ Il dispositivo consiste in un attuatore lineare per l'inserimento di sonde rigide nel cervello, destinato ad essere integrato nella realizzazione meccatronica di ROBOCAST, un progetto sovvenzionato dal Settimo Programma Quadro (FP7) promosso dall' Unione Europea e finalizzato alla creazione di un sistema di chirurgia assistita al calcolatore per la pianificazione ed esecuzione delle traiettorie di intervento negli interventi di neurochirurgia Keyhole. La tecnica Keyhole è una tecnica neurochirugica mini-invasiva che prevede una limitata esposizione dei tessuti cerebrali durante l'inserimento della strumentazione chirurgica, attraverso un accesso di dimensioni ridotte (Keyhole significa infatti buco di serratura) rispetto a quello adottato nelle tecniche di neurochirurgia tradizionale. Gli interventi comunemente realizzati attraverso un accesso keyhole includono la rimozione di campioni di fluidi e tessuti per biopsia, lo svuotamento di cisti ed ematomi, la rimozione di tumori e diverse altre applicazioni cliniche, fra le quali l'ablazione di aree funzionali compromesse per il trattamento del dolore cronico, dell'epilessia e dei disordini motori e psicologici o l'impianto di elettrodi, così come accade per la deep brain stimulation (DBS).\\ L'attuatore lineare consiste in una guida per lo scorrimento della sonda al cui termine è presente un motore di tipo \emph{inchworm}, composto da tre azionatori piezoelettrici che mettono in moto tre elementi flessibili. I due elementi flessibili all'estremità consistono in due meccanismi di bloccaggio che, quando attivati, fanno presa sulla sonda, mentre il terzo elemento distanzia i due meccanismi fra loro. Alternando opportunamente le prese e l'estensione dell'elemento centrale, la sonda può essere fatta avanzare o arretrare. Uno dei meccanismi di bloccaggio ospita quattro strain gages che vengono deflessi se durante la presa viene applicata una forza lungo l'asse della sonda; la posizione della sonda è data da un optical encoder installato sulla guida di scorrimento.\\ Il progetto ROBOCAST prevede che la resistenza incontrata durante l'avanzamento sia riportata alla mano del chirurgo da un manipolatore aptico che scali il segnale di forza acquisito attraverso l'attuatore lineare, determinando una resistenza attiva al movimento della mano del chirurgo proporzionale alla effettiva resistenza incontrata dalla sonda. A sua volta il dispositivo aptico traduce il movimento della mano del chirurgo in un segnale di posizione e di velocità utilizzato per la guida dell'attuatore. Tale approccio ha richiesto la definizione di un protocollo di comunicazione fra il dispositivo aptico di controllo (\emph{master}) e l'attuatore lineare (\emph{slave}) e di un sistema di controllo real-time basato su due microcontrollori: il primo è dedicato all'elaborazione dei segnali acquisiti e alla comunicazione seriale con l'interfaccia aptica, mentre il secondo gestisce esclusivamente il controllo dell'algoritmo di movimento dell'attuatore lineare. \\ Il primo obiettivo di questa tesi è stato la scrittura dei firmware dei due microcontrollori e la loro validazione, sostituendo nel set-up sperimentale il manipolatore aptico con una interfaccia grafica realizzata su personal computer. \\ In secondo luogo, per studiare le caratteristiche meccaniche dell'attuatore lineare dal punto di vista dinamico, è stato sviluppato un modello elettromeccanico a parametri concentrati del meccanismo di bloccaggio che ospita i sensori di forza. Il modello lega la tensione in ingresso all'attuatore piezoelettrico con l'effettivo movimento del meccanismo in corrispondenza del punto di contatto con la sonda e tiene conto dell'effetto (non lineare) dato dall' isteresi del materiale piezoelettrico e le dinamiche di contatto. Il fenomendo di ritardo di fase dato dall'isteresi rispetto al segnale di ingresso è stata modellato traslando nel dominio elettrico l'analogo dell'effetto dato dallo scorrimento di n elementi elastici su una superficie in presenza di attrito di Coulomb. Il contatto fra sonda e meccanismo di bloccaggio è stato modellato come l'impatto fra due sistemi del secondo ordine massa-molla-smorzatore il cui coefficiente di restituzione reciproco è stato interpretato come uno smorzatore non lineare, secondo il modello proposto da Hunt e Crossling. L'algoritmo risolutivo del modello è stato quindi implementato graficamente in ambiente Simulink. L'identificazione dei parametri ignoti del modello (parametri di isteresi e di interfaccia di contatto) è avvenuta minimizzando con un algoritmo genetico l'errore quadratico dato dalla differenza del risultato della simulazione dello spostamento del meccanismo e lo spostamento reale a parità di segnale di ingresso. I risultati hanno dimostrato una buona aderenza del modello con lo spostamento reale, con un errore nell'ordine delle frazioni di um laddove l'ampiezza dei movimenti considerati e di qualche decina di um . Come sonda campione è stato usato un ago Backlund per biopsia del diametro di 1.9 mm.\\ Il terzo obiettivo della tesi è stato minimizzare le oscillazioni una volta identificate le frequenze di risonanza ed il coefficiente di smorzamento del meccanismo di estensione e dei meccanismi di bloccaggio, in base ai quali sono stati definiti i parametri per la generazione di un comando di Zero Vibration, secondo la tecnica dell' Input Shaping. L'algoritmo di controllo del motore inchworm modificato secondo i parametri di input shaping ha dimostrato una consistente riduzione della oscillazione dei meccanismi di bloccaggio e di estensione rispetto allo stesso algoritmo non modificato. La medesima soppressione delle vibrazioni è stata ottenuta nelle simulazioni. \\ Il quarto obiettivo è stato la valutazione dell'effetto dei due algoritmi di movimento sulla misura della forza è durant l'introduzione della sonda in un campione di gelatina, usato come modello del tessuto cerebrale. In seguito dalla valutazione della dinamica del segnale di forza registrato dall'attuatore lineare durante l'avanzamento della sonda sono stati definiti i filtri passa-basso implementati dal firmware dei microcontrollori, risultando in una frequenza di \emph{cut-off} complessiva di 5 Hz, adeguata a descrivere la dinamica del segnale di forza durante l'avanzamento in gelatina. Il segnale di forza è stato valutato per tre serie di dieci esperimenti per entrambi gli algoritmi, variando le velocità di inserimento, corrispondenti al 50\%, 75\% e 100\% della massima tensione applicata al meccanismo di estensione durante un ciclo di attuazione del motore inchworm. L'acquisizione è stata effettuata per ogni esperimento allo stesso tempo sia dagli strain gages montati sull'attuatore lineare che da una cella di carico solidale al campione di gelatina. La accuratezza del sistema è stata valutata calcolando il Root Mean Square Error (RMSE) fra il segnale proveniente dagli strain gages e il segnale della cella di carico, ottenendo un valore minimo pari a 43 mN nel caso che la vibrazione venga ridotta attraverso l'input shaping.