Optimal positioning of a tubular continuum robot for resection of suprasellar brain tumors in consideration of task constraints

The most recent development in minimally invasive surgery (MIS) is focused on ex- ploiting natural orifices for the insertion of surgical tools, avoiding any kind of artificial port on the human body and reducing therefore invasiveness, complications and mor- tality. The endonasal resection of suprasellar brain tumors, in particular of adenomas arising from the pituitary gland, represents an example of this type of procedure, as it takes advantage of the nose to reach the target area. The main challenges for this proceeding are represented by the small surgical space and the lack of high-dexterity surgical tools. In fact, current instruments are straight and rigid, they present a functional part only at the tip and are incapable of modyfing their mechanincal properties based on the task to be performed. Moreover, in the most complicated cases, where the tumor grows excessively or too deeply into the brain, a transcranial approach is required with all typical disadvantages of invasive surgery: disfigurements, risk of infection and subse- quent longer recovery. Considering that pituitary tumors have a high rate of incidence, approximately 20% of all intracranial neoplasms, and therefore their minimal invasive treatment is reasonable and preferable, the application of tubular continuum robots in the endonasal surgery could overcome the current limits thus making the invasive approach unnecessary. Continuum robots differ consistently from the traditional kinematic chains, in partic- ular for their motion capabilities. Inspired by nature, mostly by snakes and elephant trunks, this type of robots is able to perform tentacle-like motions, permitting to over- come obstacles by surrounding them and to perform tasks with a high level of manipu- lability. Among the continuum robots, the structure of the tubular ones consists in a set of superalsitc Nithinol tubes nested in one another and movement is achieved by translating and rotating each tube at its base. Moreover, the possibility to scale the tube components to small sizes, starting from 200 μm, results this category of continuum robot to be the smallest one so far. The consideration of this type of robot in the endonasal surgery can be motivated appraising on one side its size, which could adapt to the small anatomic space available in the nose, and on the other its motion capabilities, which could permit to reach target points deep in the brain that are nowadays unreachable without resorting to invasive approaches. In addition, the robot can be teleoperated thanks to an input device, permitting therefore to be controlled remotely by the surgeon. In this master’s thesis the application of a tubular continuum robot to resect pituitary adenomas in a minimal invasive way, taking advantage of the natural nasal cavity, is analyzed. In particular, an optimization procedure to assess the robot design parameters, which maximize the reachability of the tumor in simulation, is presented. Beside the optimization of the robot tube components, also the position and orientation of the robot in the surgical workspace are taken into account to improve the coverage of the target. In literature, several works can be found discussing the potentiality of continuum robots for their application in surgery: urology, otolaryngology, cardiac surgery and abdominal interventions represent some of the scenarios addressed. Most of them already developed methods to optimize the design of this type of robot in relation to a specific task. For instance, a frequent approach consists in searching the design parameters which guarantee the most collision-free pathways with the patient during the entire performance. Another diffused one divides the optimization procedure into two parts, one concerning the optimization of the robot design for the navigation inside the human body, which defines the access to the target area, and the other one of its manipulability at the target. Focusing on the application of a continuum robot in endonasal surgery instead, previ- ous studies concentrated on searching the optimal robot parameters which maximize the reachability of the pituitary tumor. However, in all of them the position and orientation of the robot in the surgical workspace are discarded. The importance of developing a method to find the correct base placement in robotic assisted surgery is evident when considering the possibility to prevent dangerous collisions and to guarantee patient’s safety. Thus, the main contribution of this thesis is represented by the analysis of the robot base placement with respect to the patient’s nostril during the simulation. The analysis begins with the reconstruction of the surgical workspace at the skull base by segmenting the MR and CT images of six pituitary tumor cases. Three zones in particular are used to realize it: the nasal path, the sphenoid sinus (a cavity in front of the pituitary gland) and the tumor itself. Afterwards, the tumor is divided into isotropic voxels in order to quantify the coverage of the target as the number of voxels reached by the robot tool-tip with respect to the total. For each clinical case, the optimization procedure is used to assess the robot design and base placement in order maximize the coverage of the tumor. Therefore, the approach presented is patient-specific since both the robot design parameters and the robot pose are fixed to treat in the best way possible one single patient. Moreover, during the simulation, the robot structure is forced to remain inside the reconstructed workspace and to keep a safety distance from the patient’s nose. Hence, the coverage calculated is achieved in observance of all task constraints. The simulation of the tumor reachability is run in Matlab using a Sequential Quadratic Programming algorithm for the search of the optimal robot parameters. The Kruskal- Wallis test shows that this solver requires statistically less computational time to opti- mize the robot structure with respect to the other methods tested. The developed optimization procedure is evaluated by applying it to skull base recon- structions used in previous works and by comparing the obtained tumor coverages with those achieved in the former ones. In fact, with respect to prior works, in this project both the position and the orientation of the robot in the surgical workspace are consid- ered. Hence, the comparison between the current method and the preceding ones aims at understanding if the consideration of these two additional aspects affect positively or otherwise the reachability of the target. The Wilcoxon test shows that for all clinical cases, the mean coverages obtained are significantly increased or at least comparable to those achieved in the past, affirming the potentiality that the consideration of the robot position and orientation have in improving the performance of the manipulator. Additionally, the influence that the different dimensions of the surgical workspace, defined by the anatomy of the patients, and of the adenoma volumes have on the reach- ability of the target, is investigated. In particular, both the volume of the adenoma and its access constraint, i.e. the ratio between the tumor volume and the area available to the robot to access it, are taken into account. A correlation test shows that the size of the adenoma does not affect in a significant way the reachability of the target, as large adenomas present comparable coverages to the smaller ones. On the contrary, a significant correlation is found between the coverage of the tumor and the access constraint. Further investigations show that the data are fitted by a linear regression model with goodness-of-fit about 73%: the tumor coverage decreases linearly with increasing access constraint. Finally, the potentiality of building skull base approximations which are represen- tative of more patients and can indeed be used to optimize robot designs which fit more clinical cases, is investigated. It would be more convenient in fact to substitute a patient-specific optimization method, in which for each patient the surgical workspace is reconstructed and a robot design optimized, with an application-specific one, in order to limit the number of optimizations to be performed and of tube components to be re- alized. For this purpose, average dimensions of the skull base structures and of the most common pituitary tumor sizes are searched in literature and used to build two additional workspace approximations. These approximations can advantageously substitute those realized using the imaging datasets of the patients. Results show that the surgical workspace representation built with the tiniest tumor is representative of all other microadenoma cases treated, as the designs optimized for this representation reach the adenomas of the other cases as well as those optimized in a patient-specific way. In conclusion, the analysis and the optimization of the robot base placement is demon- strated to have a positive effect on the reachability of the target and should therefore be considered in future works. The performance of the robot is furthermore dependent on the space available at the skull base to fulfil the task and it may be useful to reckon more than one pose of the manipulator during the surgery in order to improve, despite the narrow space, the reachability. It might also be promising to increase the number of tube components of the robot structure to permit the robot to assume more twisted shapes and improve the manipulability at the target. To this purpose, future studies could also evaluate to add, beside the coverage of the tumor, the manipulability of the robot as a second criteria to assess the optimal design parameters and base placement, thus developing a multiobjective optimization method.

I più recenti sviluppi nell’ambito della chirurgia minimamente invasiva contemplano la possibilità di sfruttare le cavità anatomiche per l’inserimento degli strumenti chirur- gici, in modo da evitare la realizzazione di accessi artificiali sul corpo umano e ridurre quindi l’invasività, l’insorgenza di complicazioni e la mortalità. La rimozione di tumori soprasellari per via endonasale, e in particolare di adenomi che originano dalla ghian- dola ipofisaria, rappresenta un esempio di procedura chirurgica minimamente invasiva, dal momento che utilizza le naturali cavità nasali per raggiungere il tumore situato alla base del cranio. Le criticità principali in questo intervento riguardano da un lato il ridotto spazio di- sponibile all’interno del naso del paziente per eseguire l’operazione e dall’altro la scarsa manipolabilità degli odierni strumenti chirurgici. Lo strumentario disponibile sul mer- cato presenta infatti una struttura dritta e rigida, una sola parte funzionale situata all’estremità distale e non offre la possibilità di modificare le proprie caratteristiche mec- caniche in funzione del task da compiere. Inoltre, negli scenari clinici più complessi, rappresentati dai casi in cui il tumore raggiunge dimensioni notevoli o si sviluppa in profondità all’interno del cranio, l’approccio transcranico costituisce ad oggi l’unica so- luzione, con tutti gli svantaggi che la maggiore invasività comporta: deturpazione, rischio di infezione e tempi maggiori di degenza post-operatoria. L’alto tasso di incidenza dei tumori ipofisari, intorno al 20% di tutte le neoplasie intracraniche, e la loro preferibi- le rimozione attraverso procedure minimamente invasive, rendono il superamento dei correnti limiti della chirurgia endonasale una necessità attuale e significativa. Una soluzione promettente prevede l’applicazione di un robot tubolare continuo che, grazie alle sue caratteristiche strutturali, renderebbe il bisogno di ricorrere all’approccio transcranico obsoleto. I robot continui differiscono in modo sostanziale dalle tradizionali catene cinematiche per le loro capacità di movimento. L’ispirazione per questa categoria di robot ha origini nella natura, in particolare nella proboscide di elefante e nei serpenti: i movimenti che i robot continui riescono a compiere sono infatti simili a quelli di un tentacolo, e permettono loro di aggirare gli ostacoli incurvandosi e di eseguire task con un elevato livello di flessibilità. Tra i robot continui esistenti, quello tubolare ha una struttura costituita da tubi in materiale superelastico (Nitinol) che vengono inseriti l’uno nell’altro e il cui movimento è ottenuto imponendo rotazioni e traslazioni a livello della base. I componenti tubolari, realizzati con una curvatura costante e con un diametro a partire da 200 μm, rendono questa categoria di robot continui la più piccola esistente. Le maggiori potenzialità nell’utilizzo di manipolatori continui per la chirurgia endona- sale sono rappresentate sia dalle ridotte dimensioni, perfettamente adattabili al limitato spazio anatomico della cavità nasale, sia dalle capacità di movimento, che permettereb- bero al robot di raggiungere punti situati in profondità nel cranio, ad oggi inaccessibili a meno di ricorrere alla chirurgia invasiva. Il robot è inoltre dotato di un’interfaccia aptica e può quindi essere pilotato da un esperto e utilizzato in sala operatoria. In questo progetto di tesi viene mostrata l’applicabilità di un robot tubolare continuo per la rimozione del tumore all’ipofisi in ambiente simulato e in modo minimamente inva- sivo, sfruttando la cavità naturale del naso. In particolare, viene proposta una procedura per massimizzare, tramite l’ottimizzazione dei parametri di disegno, la raggiungibilità del tumore da parte dell’estremità funzionale del robot. Oltre all’ottimizzazione delle caratteristiche strutturali, vengono considerati anche il posizionamento e l’orientamen- to del robot all’interno dello spazio chirurgico, al fine di migliorare il raggiungimento dell’adenoma. In letteratura sono presenti numerosi studi che indagano la potenzialità dei robot continui negli scenari chirurgici; tra questi, urologia, otorinolaringoiatria, chirurgia va- scolare e interventi all’addome rappresentano gli scenari più considerati. In molte di queste pubblicazioni sono già stati sviluppati dei metodi per ottimizzare il disegno del robot, soprattutto in relazione a uno specifico compito da eseguire. Un esempio di ap- proccio diffuso consiste nella ricerca dei parametri del disegno che permettono di evitare collisioni con il paziente durante l’intera esecuzione del task. Un altro metodo già pro- posto divide la fase di ottimizzazione in due parti, una focalizzata sulla navigazione del robot e l’accesso al target, l’altra mirata a massimizzare la manipolabilità. Per quanto riguarda l’applicazione di un robot continuo nella chirurgia endonasale, le ricerche passate si sono focalizzate sull’individuazione dei parametri del disegno atta a massimizzare la raggiungibilità del tumore all’ipofisi. Ad oggi, la considerazione della posa del robot all’interno del naso del paziente è trascurata. Dal momento che lo sviluppo di una metodologia che permetta di stabilire la collocazione ottimale del manipolatore è fondamentale, sia per assicurare il successo dell’operazione che per tutelare la sicurezza del paziente, il contributo maggiore di questa tesi è rappresentato dallo studio del posizionamento della base del robot rispetto allo spazio chirurgico nel naso durante la simulazione dell’intervento. Lo studio parte dalla ricostruzione dello spazio chirurgico alla base del cranio tramite la segmentazione di immagini TAC e RM di sei diversi casi di tumore all’ipofisi. In particolare, tre sono le zone identificate per realizzarne la ricostruzione: la cavità nasale, il seno sfenoidale (una cavità posta di fronte alla ghiandola ipofisaria) e il tumore stesso. In seguito, il volume tumorale viene suddiviso in voxel in modo da calcolare la copertura del tumore come il numero di voxel raggiunti dalla parte funzionale del robot rispetto al totale. Per ogni caso clinico, la procedura di ottimizzazione è utilizzata al fine di stabilire i parametri del disegno e il posizionamento della base del robot che, insieme, massimizzano la raggiungibilità del tumore. Di conseguenza, l’approccio presentato è paziente-specifico dal momento che sia il disegno che la posa sono ricercati al fine di trattare nel miglior modo possibile un singolo paziente. In più, durante la simulazione, l’intera struttura del robot è forzata a rimanere all’interno dello spazio chirurgico ricostruito e a mantenere una distanza di sicurezza dal paziente. La risultante copertura del tumore è quindi ottenuta nel rispetto di tutti i vincoli del task. La simulazione della raggiungibilità del tumore è eseguita in Matlab, utilizzando un metodo di Programmazione Sequenziale Quadratica per la ricerca dei parametri ottimali del robot. Il test di Kruskal-Wallis mostra che questa tecnica di ottimizzazione richiede statisticamente meno tempo per ottimizzare la struttura del robot rispetto agli altri metodi presi in considerazione. La validità dell’approccio proposto è valutata tramite il confronto tra la copertura del tumore raggiungibile con il metodo sviluppato e quella ottenuta in lavori precedenti per gli stessi casi clinici. Dal momento che, a differenza degli studi passati, questo progetto di tesi ha tenuto conto sia della posizione che dell’orientamento del robot all’interno dello spazio chirurgico, il paragone tra questo metodo e i precedenti è finalizzato a comprendere se la considerazione di questi due aspetti aggiuntivi è in grado di migliorare o meno la raggiungibilità del target. Il test di Wilcoxon mostra che, per tutti i casi clinici considerati, la copertura media del tumore ottenuta è significativamente aumentata o almeno paragonabile a quella ottenuta nei lavori precedenti, dimostrando la potenzialità che posizione e orientamento possono avere nel migliorare la performance del robot. Inoltre, viene analizzata l’influenza che le differenti dimensioni dello spazio chirurgico, determinate dall’anatomia dei pazienti e della massa tumorale, hanno sulla raggiungibili- tà dell’adenoma da parte del robot. In particolare vengono considerati sia la dimensione del tumore che il vincolo di accesso ad esso, ovvero il rapporto tra il volume dell’adenoma e l’area disponibile al robot per raggiungerlo. Il test di correlazione mostra che la grandezza del tumore non influisce in modo significativo gnificativo sulla raggiungibilità del target, dal momento che i tumori più espansi sono raggiunti dal robot in modo paragonabile a quelli di dimensione più ridotta. Al contrario, tra la copertura del volume tumorale e il vincolo di accesso è presente una significativa correlazione. In particolare, la relazione esistente risulta spiegata al 73% da un modello di regressione lineare: la copertura del tumore diminuisce linearmente all’aumentare del vincolo di accesso. Infine viene studiata la possibilità di costruire approssimazioni dello spazio chirurgico endonasale rappresentative di più pazienti che possano essere utilizzate per ottimizzare un disegno del robot adatto a trattare più casi clinici. Sarebbe infatti più conveniente sostituire la procedura di ottimizzazione paziente-specifica, in cui per ogni paziente viene ricostruito lo spazio chirurgico e ottimizzato il disegno del robot, con una applicazione- specifica che permetterebbe di ridurre al minimo il numero di ottimizzazioni da compiere e di componenti tubolari da realizzare. A questo proposito, le dimensioni medie delle strutture anatomiche alla base del cranio e dei tumori ipofisari più diffusi trovate in letteratura vengono utilizzate per la realizzazione di due approssimazioni aggiuntive dello spazio chirurgico. Queste approssimazioni possono vantaggiosamente sostituire quelle ottenute dalle immagini diagnostiche dei pazienti. I risultati mostrano che l’approssimazione realizzata con il tumore più ridotto è rap- presentativa di tutti gli altri casi di microadenomi considerati, in quanto i disegni del robot ottimizzati per questa approssimazione raggiungono i tumori degli altri pazienti allo stesso modo di quelli ottimizzati in modo paziente-specifico. In conclusione, è possibile affermare che l’analisi e l’ottimizzazione del posizionamento della base del robot influisce positivamente sulla raggiungibilità del tumore e dovrebbe quindi essere considerata negli sviluppi futuri. Inoltre, dal momento che la performance del robot dipende anche dallo spazio disponibile alla base del tumore per raggiungerlo, sarebbe utile considerare più di una posa del robot durante l’intervento, al fine di age- volare la raggiungibilità del target e supplire allo spazio ridotto. Potrebbe infine essere promettente prevedere l’utilizzo di un maggior numero dei componenti tubolari che defi- niscono la struttura del robot, in modo da permettergli di assumere forme più flessuose ed aumentarne la manipolabilità. A questo proposito, studi futuri potrebbero aggiunge- re, oltre alla copertura del tumore, la manipolabilità del robot tra i criteri per stabilire il disegno e la posa ottimale del robot, adottando quindi una procedura di ottimizzazione multi-obiettivo.