Magnetic actuated surgical instrumentation : dynamic study and control strategies for magnetic actuation units

In this work an innovative approach to laparoscopic surgery will be presented. In laparoscopy the surgeon uses a endoscope to access the area of the intervention through three to six port. To reduce the number of this incisions the single site laparo-esndoscopy (LESS) has bee developed. In recent years the robotic surgery have tried to develop LESS platform with reduced insertion hole diameter and high dexterity. Anyway, the single incision constraints the workspace in a limited area around it. A solution to this problem comes with magnetic anchored and actuated tools, inserted through a single incision and than dragged around the abdominal cavity moving external modules. This work is focused on a rotational actuation unit; the platform comprise an external permanent magnet, connected to a DC motor, and an internal permanent magnet, placed on-board the potential surgical tool. This setup can be modeled with a magnetic spur gear, able to transfer mechanical power even through a physical barrier such as the abdominal wall. With different test and using a custom designed board, the magnetic coupling has been studied at different motor speed, intermagnetic distances and load torque applied on the internal magnet. An innovative magnetic field based encoder has been developed to acquire the two magnet's speeds. A dynamic model has been presented and validated, while two different control strategies has been studied to produce a desired speed control on the external and internal magnet rotation. The system rejection to step of load torque has been studied, and the maximal transmissible mechanical power have been evaluated for different intermagnetic distances. Moreover tha maximal transmittable torque has been acquired for different distances and than compared with the theoretical one obtained using programs based on the FEM approach. The information acquired through the development of this project have been used to produce a working one degree of freedom tissue retractor based on the local magnetic actuation approach.

In questo lavoro un innovativo approccio alla laparoscopia sarà presentato. Nella pratica laparoscopica, il chirurgo pratica da tre a sei incisioni sulla parete addominale, attraverso le quali, usando un endoscopio, accede alla cavità addominale. Negli ultimi anni, la pratica laparoscopica si è evoluta per limitarne la invasività, dando origine a tecniche basate su una singola incisione, generalmente ombelicale. Recentemente, in sempre più pratiche chirurgiche, l'utilizzo della robotica sta diventando il gold-standard. Per questo molti prototipi di robot chirurgici da impiegarsi per laparoscopia a singola incisione, sono stati sviluppati. Pur ottenendo ottimi risultati in termini di destrezza degli strumenti, e mantenendo dimensioni ridotte, il principale problema che essi riscontrano è la limitata capacità di questi di poter raggiungere zone lontane dall’incisione di ingresso. Una possibile soluzione a questo problema arriva dall’utilizzo di strumenti che sfruttino il magnetismo; secondo questo approccio, gli strumenti possono essere inseriti attraverso un’unica incisione, e poi, grazie a dei magneti esterni, trascinati in diversi punti della cavità addominale. In questo lavoro il caso dell’attuazione magnetica rotazionale verrà presentato. Il progetto, infatti, studia il comportamento di due magneti di cui uno è collegato ad un motore e posto all’esterno della cavità addominale, mentre il secondo si trova all’interno. Quando il magnete esterno viene fatto ruotare, induce una rotazione opposta su quello interno, permettendo un trasferimento di potenza meccanica simile a quello che si ottiene in un tradizionale ingranaggio non concentrico. Il grande vantaggio è la possibilità di trasferire potenza anche attraverso una barriera fisica come la parete addominale. Attraverso una piattaforma di studio e un circuito elettronico costruito appositamente, la dinamica dell’accoppiamento magnetico è stata studiata per diverse distanze intermagnetiche, coppie di carico e velocità del motore. Per poter acquisire le velocità dei magneti, un encoder basato sulla variazione dei campi magnetici è stato progettato. Un modello dinamico è stato presentato e validato. Attraverso lo studio in frequenza del sistema, due strategie di controllo sono state ottenute e validate, mentre il comportamento del sistema a gradini di coppia di carico applicati sul magnete interno è stato studiato. E’ stata inoltre valutata la potenza massima trasmissibile per le diverse distanze e confrontata con quella teorica ottenuta mediante programmi di calcolo agli elementi finiti. I risultati ottenuti in questo lavoro sono stati impiegati per la progettazione di un retrattore di tessuti a un grado di libertà per impieghi laparoscopici.