Concept, problematiche e design di un sistema robotizzato per chirurgia endoscopica transluminare attraverso orifizi naturali

Natural orifice transluminal endoscopic surgery (NOTES) is a novel surgical technique which uses endoscopic tools to perform mini invasive abdominal operations through natural orifices. The main limitation for a secure use of this technique is the lack of a proper surgical device, since it is still performed by non rigid endoscopes designed for diagnostic applications. Robot Assisted Surgery is the ideal solution to perform this kind of surgical operations. The most important companies of biomedical devices don't seem to gather this demand and they' still proposing modified endoscopes with enhanced surgical functionalities. A positive feedback instead comes from the research laboratories. The concept of NOTES stimulate an enormous interest worldwide leading hundreds of research teams to study novel models founded on robotic platform . The Snake project was conceived in this background in effort to develop a first prototype of a robotic platform for NOTES. The project is followed by the prof. Cerveri of the Politecnico University of Milan. The thesis aims to provide a concept of the robotic device through a comprehensive and engineering approach .Therefore , an extensive discussions is dedicated to the analysis of the NOTES procedures in order to determine, in collaboration with the clinicians of the AIMS Academy of the Niguarda Cà Granda Hospital, the clinical requirements for the platform. The requirements are then converted into technological specifications for the robot. This analysis ,together with a broad revision of the most interesting technologies in this field, laid the ground of a concept of the robot's mechatronic layout . The research includes the design of the robot's body and its vision system mounted on the end effector. The body of the robot consists of a kinematic chain of modules which communicate to each other an to the external PC trough a CAN (Controller Area Network) bus. Each module is connected to the next one trough a joint. Each link has at its ends two different kinds of joint: one for bending and one for an axial rotation. Therefore each module provides two degrees of freedom. The displacement is generated by two BLDC (Brushless DC) motors and is measured by two Hall encoders. The mechanical interaction between robot and environment is measured by a force sensor. The vision system consists of a miniaturized camera and an acquisition system. The camera is equipped with a full HD image sensor, a zoom lens and a LED lighting system. The lens is actuated by two piezoelectric motors. The camera is able to provide the following functions: autofocus, optical and digital zoom, adjustable light intensity. The acquisition system consists of a DSP (Digital Signal Processor) that displays the image on a LCD screen and that implements an autofocus and an image stabilization algorithm. For the first time, a design of the camera is described. It was realized with a mechanical CAD software. The concept represents a good compromise between performance and the size. It fits the technological requirements as well. Nevertheless, it needs further revisions before we can proceed with the construction of the first prototype.

NOTES (Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery) è una tecnica per chirurgia mini invasiva. Essa prevede l'accesso al sito operatorio mediante un'incisione all'interno di un orifizio naturale e l'inserimento di strumenti chirurgici all'interno della cavità addominale. Oltre alle problematiche di natura clinica, numerosi sono i limiti della strumentazione utilizzata. Esiste una forte necessità da parte dei chirurghi di disporre di una piattaforma appositamente progettata per NOTES e la migliore soluzione potrebbe essere data un sistema robotizzato. Le grandi aziende, che operano nel settore delle apparecchiature biomedicali, non sembrano cogliere questa necessità. Finora sono in grado di proporre solamente endoscopi modificati, resi più funzionali per scopi chirurgici, che non rappresentano ancora una soluzione soddisfacente. Un riscontro diverso viene dai laboratori di ricerca di tutto il mondo che stanno tentando di sviluppare delle proposte alternative basate sulla microrobotica. In questo contesto si inserisce il progetto Snake, seguito dal prof. Cerveri del Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di Milano. L'obbiettivo del progetto è lo sviluppo del prototipo di un endoscopio chirurgico robotizzato per NOTES. La tesi ha lo scopo di proporre un concept del robot attraverso un approccio integrale e bioingegneristico al problema. A tale proposito, un'ampia discussione è dedicata all'analisi delle procedure NOTES in modo da determinare , in collaborazione con i medici dell'AIMS Academy dell'ospedale Ca' Granda di Niguarda, i requisiti clinici e tradurli poi in requisiti tecnologici per il robot. Da questa analisi e dalla revisione delle tecnologie più interessanti disponibili nel mercato, nasce un concept che descrive lo schema meccatronico del prototipo e che pone le basi per un più complesso sistema robotizzato. Lo studio comprende sia il corpo del robot che il sistema di visione montato sull'end effector. Entrambi sono stati concepiti in maniera tale da avere delle elevate prestazioni e delle dimensioni molto ridotte. Il corpo del robot è formato da una catena cinematica di moduli collegati in serie che comunicano tra di loro e con l'interfaccia utente esterno attraverso un bus CAN (Controller Area Network). Ogni modulo si collega attraverso un giunto al modulo successivo e presenta ai due estremi due tipologie distinte di giunto: uno di bending e uno di rotazione assiale. Ogni modulo cinematico esprime quindi due gradi di libertà. Lo spostamento dei giunti viene effettuato da due motori BLDC (Brushless DC) e misurato da due encoder ad effetto Hall. Un sensore di forza misura l'interazione meccanica del robot con l'ambiente. Il sistema di visione comprende una telecamera miniaturizzata ed un sistema di acquisizione. La telecamera è dotata di un sensore full HD, di un obbiettivo zoom ed un sistema di illuminazione LED. L'obbiettivo viene azionato tramite due motori piezoelettrici. La telecamera è in grado di svolgere le seguenti funzioni: autofocus, zoom ottico, zoom digitale e regolazione della luminosità. Il sistema di acquisizione d'immagine è composto da un DSP (Digital Signal Processor) che visualizza l'immagine su un LCD e implementa gli algoritmi di autofocus e stabilizzazione digitale dell'immagine. Per la prima volta viene descritto un design della telecamera miniaturizzata realizzato tramite un CAD meccanico. Il concept risultante rappresenta un buon compromesso fra prestazioni e dimensioni e riesce a soddisfare i requisiti tecnologici proposti. Esso ha comunque bisogno di ulteriori revisioni prima che si possa procedere alla costruzione del primo prototipo.