Development of an augmented reality application and a robotic navigation prototype for spinal surgery

Robotic spinal surgery is an operation that requires drilling a hole inside the patient's vertebra and inserting a screw afterwards, being in close proximity to vulnerable structures such as the spinal cord and blood vessels. The technologies currently available to support surgeons are based on the acquisition of fluoroscopic images and the use of navigation systems able to trace the position of the instruments used by the surgeon on fluoroscopic images. In addition, there are robotic systems capable of providing guidance for the instruments used by the surgeon. The disadvantages related to these techniques lie in the high exposure to radiation to which the patient and the medical staff inside the operating room are subjected. In addition to this, the surgeon, by monitoring the images to make sure that the instruments are on the pre-planned or desired position, needs to have excellent hand-eye coordination during the execution of the operation. Current technologies also leave tasks such as the perforation in the hands of the surgeon who has a low control over the depth reached by the perforator and this could lead to errors with consequent damage to the surrounding tissues. In order to solve these problems, augmented reality systems based on manual registration or on the use of external tracking systems capable of superimposing a hologram of the internal structure of interest on the patient's body have been studied in the literature. Systems based on the acquisition of force, vibration and sound signals have been designed to automatize the drilling process proving to be not easy to manage. This thesis project aims to develop an augmented reality application that uses a registration approach based on corresponding points. In addition, an automatic navigation-based control system was developed to control the position reached by the robotic prototype.

La chirurgia spinale robotica è un'operazione che richiede di praticare un foro all'interno della vertebra del paziente e inserire una vite in seguito, trovandocisi in prossimità di strutture vulnerabili come il midollo spinale e i vasi sanguigni. Le tecnologie attualmente disponibili a supporto dei chirurghi sono basate sull'acquisizione di immagini fluoroscopiche e sull'utilizzo di sistemi di navigazione capaci di tracciare la posizione degli strumenti utilizzati dal chirurgo sulle immagini fluoroscopiche. Inoltre sono presenti sistemi robotici capaci di fornire una guida per gli strumenti utilizzati dal chirurgo. Gli svantaggi legati a queste tecniche risiedono nell'alta esposizione alle radiazioni a cui il paziente ed il personale medico all'interno della sala operatorio sono soggetti. Oltre a ciò il chirurgo, dovendo monitorare le immagini per assicurarsi che gli strumenti siano nella posizione pre-pianificata o desiderata, ha bisogno di avere un'ottima coordinazione occhio-mano durante l'esecuzione dell'operazione. Le attuali tecnologie oltretutto lasciano compiti come quello della perforazione nelle mani del chirurgo il quale ha un basso controllo sulla profondità raggiunta dal perforatore e questo potrebbe portare a errori con conseguente danno ai tessuti circostanti. Al fine di risolvere tali problematiche, in letteratura sono stati studiati sistemi di realtà aumentata basati sulla registrazione manuale o sull'utilizzo di sistemi esterni di tracciamento capaci di sovrappore sul corpo del paziente un ologramma della struttura interna di interesse. Sistemi invece basati sull'acquisizione di segnali di forza, vibrazione e suono sono stati studiati per automatizzare il processo di forazione dimostrando di non essere di facile gestione. Questo progetto di tesi si pone come obiettivo lo sviluppo di una applicazione di realtà aumentata che utilizza un sistema registrazione basato su punti corrispondenti. Oltre a ciò è stato sviluppato un sistema di controllo automatico basato sulla navigazione capace di controllare la posizione raggiunta dal prototipo robotico.