Sistemi collaborativi per la chirurgia ortopedica

Riceviamo e pubblichiamo un approfondimento dell’ingegnere Stefano Vinto di R+W dedicato ai robot collaborativi negli ospedali italiani: il loro impiego minimizza i rischi, soprattutto nella chirurgia ortopedica.

Aumentano le installazioni di robot collaborativi negli ospedali italiani, dove il loro impiego minimizza i rischi, soprattutto nella chirurgia ortopedica. Questo aumento dà conto dell’importanza che questi sistemi stanno assumendo per la chirurgia, qui e nel mondo, specialmente per via della loro capacità di svolgere le operazioni più delicate. Minimizzando i rischi. Realtà aumentata e machine learning sempre più protagonisti negli ospedali e nelle sale operatorie. Dal 2011 a oggi, infatti, i cosiddetti Robot collaborativi, noti anche con il nome di Cobot, hanno fatto passi da gigante, consentendo di ridurre drasticamente gli errori e facilitare il recupero fisico da parte del paziente. Uno dei campi della chirurgia dove i Cobot sono maggiormente utilizzati è quello dell’ortopedia. I numeri parlano da soli. Stando ai dati 2017 registrati dalle schede di dimissione ospedaliera, dal Programma nazionale esiti e del Registro italiano artroprotesi (Riap), in Italia si effettuano mediamente circa 200 mila procedure di artroprotesi l’anno, che vedono l’intervento all’anca (oltre 108 mila casi) e la sostituzione dell’articolazione di ginocchio (poco più di 80 mila interventi) ai primi posti. Ma in campo ortopedico si ricorre all’intelligenza artificiale anche per effettuare veri e propri interventi chirurgici al ginocchio o agli arti.

Margine di errore inferiore al millimetro

Del resto, la precisione del braccio robotico guidato da un medico chirurgo ha un margine di errore inferiore al millimetro e consente di operare senza intaccare i tessuti sani circostanti. Ma, stando a quanto dicono gli esperti, il potenziale della chirurgia robotica in ortopedia è immenso. Basti dire che secondo gli analisti, il mercato mondiale dei robot chirurgici è destinato a crescere a un tasso di oltre il 20% l’anno nel prossimo futuro. Macchine pronte a integrare all’interno delle consolle, intelligenza artificiale, big data e algoritmi di machine learning, per fare della chirurgia robotica un’attività sempre più performante, flessibile e sostenibile. Ma sempre a sostegno della mano e del cervello dell’uomo, visto che il robot, in questo ambito, mette in pratica solo ciò che l’uomo pensa e progetta. I robot collaborativi oltre a rivoluzionare il mondo industriale stanno ribaltando anche quello della sanità, grazie all’elevata facilità di impiego e alla capacità di rendere più economici i processi.

Un mercato in continua evoluzione              

Le sfide per il futuro degli operatori di questo settore? Rendere la chirurgia robotica sempre più piccola, flessibile, capace e meno costosa. Uno dei modelli di robot-chirurgo più efficienti, completi, popolari è il sistema Da Vinci della Intuitive Surgical i cui esemplari sono presenti – solo per citare alcuni esempi illustri – nei reparti dell’istituto Humanitas, dove trova applicazione in ambiti che spaziano dall’urologia alla ginecologia e dalla chirurgia toracica alla chirurgia generale; o presso l’Istituto Europeo di Oncologia (IEO) dove si stima che dal 2006 ad oggi, gli interventi robotici siano stati 7.188. Lo stesso IEO si è soffermato sulle potenzialità della robotica applicata alla chirurgia rilevando che essa permette di controllare attraverso una console, strumenti di alta precisione posti all’interno dell’addome attraverso piccole incisioni di 1-2 centimetri. I movimenti dell’operatore, vengono riprodotti all’interno del campo operatorio in maniera più precisa ed eliminando il naturale tremore delle mani. Eseguire un intervento con tecnica robotica, secondo la struttura milanese, riduce i rischi correlati alla chirurgia classica e offre numerosi benefici al paziente. Fra questi una ridotta degenza; meno dolore e sanguinamento, minori rischi di infezione e minor necessità di trasfusione.

Un progresso continuo

Alla fine dello scorso settembre il modello Da Vinci Xi è andato ad arricchire la dotazione tecnologica dell’ospedale capitolino San Carlo di Nancy e in particolare delle sue unità di urologia; mentre lo scorso anno a Catania era avvenuta la centesima installazione della soluzione in Italia. Paese che sembra essere autentica capofila internazionale della chirurgia robotica e in generale dell’automazione abbinata alle discipline cliniche. Dalle prime soluzioni degli anni ’80 ne è stata fatta di strada: l’iniziale diffidenza, forse dovuta allostretto apparentamento con i sistemi industriali da cui erano derivate, non concepiti per interagire con il corpo umano, non ha comunque arestato per le attività di ricerca e sviluppo. I sistemi robotici medicali impiegati in branche della chirurgia quali la neurochirurgia, presentano spiccate caratteristiche collaborative, essendo impiegati principalmente per il posizionamento nel trattamento delle lesioni cerebrali e per assistere i chirurghi nelle azioni di presa e fissaggio degli strumenti chirurgici. La tecnica chirurgica della laparoscopia ricorre, ormai diffusamente, all’impiego di sistemi robotici come la serie Da Vinci sopra citata, allo scopo di rendere minimamente invasivi gli interventi sia di chirurgia generale che di chirurgia cardiaca, toracica, colorettale ed urologica, operando con modalità collaborative. Anche i sistemi robotici per la chirurgia vascolare presentano caratteristiche di collaboratività  e di scarsa invasività, ottenute grazie al conseguimento di elevati standard di precisione e protezione, per mezzo della realizzazione di apposite catene cinematiche. Verranno illustrati di seguito gli aspetti di collaboratività della robotica medicale specifica per la chirurgia ortopedica.

Cenni storici

La robotica costituisce, attualmente, una delle aree di ricerca e sviluppo più influenti sia in ambito scientifico che tecnologico. Nell’ambito della chirurgia ortopedica, il primo sistema sviluppato per l’esecuzione degli interventi di artroplastica totale dell’anca fu il Robodoc. Tale sistema fu inizialmente sviluppato per la preparazione delle cavità femorali, basandosi su dati ottenuti da scansioni intraoperatorie.

Risulta evidente come lo sviluppo di questo (come di altri sistemi che vedremo di seguito) abbia richiesto un’attenta attività di ricerca in merito al corretto dimensionamento degli accoppiamenti cinematici, fornendo i presupposti per lo sviluppo degli altri sistemi successivi, anche in termini di rispondenza ai requisiti di collaboratività.

I principi di funzionamento dei sistemi robotici per la chirurgia ortopedica

Le attività principali nell’ambito della ricerca e sviluppo dei sistemi robotici per la chirurgia ortopedica, hanno come oggetto lo sviluppo di tecniche di navigazione e robotiche per il trattamento di interventi quali l’artroplastica dell’anca e del ginocchio, la chirurgia spinale e la riparazione di fratture. La collaboratività offerta da tali sistemi offre un grado superiore di controllo fornendo una guida meccanica precisa agli strumenti del chirurgo durante le fasi principali dell’intervento. Idealmente, tali sistemi dovrebbero anche accelerare gli interventi stessi, ottimizzandone i tempi di esecuzione e dando la possibilità al chirurgo di effettuare un numero maggiore di procedure con maggior precisione.

 

Le architetture di sistema più ricorrenti nei sistemi robotici per la chirurgia ortopedica

Tali sistemi possono essere classificati sulla base delle caratteristiche seguenti:

• architettura della catena cinematica;
• progettazione del sistema di controllo;
• interfaccia anatomica;
• dimensioni e modalità di istallazione nella sala operatoria.

Sulla base dell’architettura della catena cinematica, si distinguono i sistemi seriali (robot a braccio singolo) o paralleli (basati su una piattaforma di Gough-Stewart con sei attuatori prismatici). Sono anche possibili delle realizzazioni ibride, in cui un dispositivo di estremità piccolo e preciso viene montato alla sommità di un braccio robotico per la diagnostica. I sistemi robotici per la chirurgia ortopedica possono essere progettati con caratteristiche di autonomia più o meno marcate. In tale ottica risultano definite le caratteristiche di collaboratività del sistema scelto, per cui i sistemi robotici per la chirurgia ortopedica vengono attualmente raggruppati in tre categorie principali:

1. sistemi passivi;
2. sistemi attivi;
3. sistemi semi-attivi.

I sistemi passivi prevedono una manipolazione diretta e completa da parte del chirurgo, che opera sulla base delle informazioni fornite dal sistema. I sistemi attivi possono eseguire alcuni compiti in maniera autonoma. I sistemi semi-attivi, infine, presentano un certo grado di autonomia ma richiedono ancora l’intervento del chirurgo nella definizione di alcuni parametri operatori, come quelli di resezione. I sistemi semi-attivi, inoltre presentano caratteristiche di collaboratività più marcate, in quanto aiutano il chirurgo autonomamente nel posizionamento degli impianti ossei e delle piastre di guida per il taglio, oltre guidare nel posizionamento degli strumenti in maniera precisa ed efficace. Alcuni sistemi robotici presentano anche funzioni automatiche di taglio e fresatura dell’osso.

Esempi di applicazioni specifiche dei sistemi robotici per la chirurgia ortopedica

Come accennato all’inizio, il primo sistema robotico attivo per la chirurgia ortopedica fu il Robodoc, attualmente prodotto dalla compagnia sudcoreana CUREXO INC.  Nella Figura 2 viene mostrato l’attuale versione del sistema. Nella Figura 3 viene proposta una rappresentazione schematica di tale sistema, estratta dal brevetto US5806518, presentato il 15 settembre del 1998 da Brent D Mittelstadt, in forze presso la Integrated Surgical Systems, azienda che sviluppò e distribuì per prima il sistema. Un altro sistema interessante è il braccio robotico semiattivo Mako, utilizzato nell’artroplastica dell’anca e del ginocchio, mostrato in Figura 4.

Nella Figura 5 viene mostrato un estratto del brevetto US9539060, che evidenzia il sistema di tracciamento inerziale con la realizzazione dell’apposita catena cinematica. Quest’ultima, è stata sviluppata a partire dal 2011, come mostrato schematicamente nell’estratto del brevetto US8010180B2 nella Figura 6. Un sistema che impiega sistemi robotici montati sull’osso è quello sviluppato da Mazor Robotics, che ricorre ad una configurazione del tipo a piattaforma di  Gough-Stewart e viene impiegato nella chirurgia ortopedica spinale. La rappresentazione schematica di tale sistema è mostrata nella Figura 7, come estratto dal brevetto US 9872733B2.

Un ultimo esempio riguarda i sistemi robotici portatili, con funzionalità di stabilizzazione e di controllo dello strumento chirurgico, avendo per riferimento i dati di tracciamento. Nella  Figura 8 e nella Figura 9 vengono mostrate schematicamente le soluzioni proposte nel 2011 dalla Blue Belt Technologies, estratte dal brevetto US 2012/0123418 A1.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come la progettazione nell’ambito della robotica medicale, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.Nel settore della robotica medicale, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali: giunti a soffietto metallico della serie BK, giunti ad elastomero della serie EK e limitatori di coppia serie SK. I giunti BK a soffietto metallico, precisi e senza gioco, sono molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente infinita e soprattutto la totale affidabilità.

I giunti a elastomero della serie EK combinano elevata flessibilità e buona resistenza. Smorzano vibrazioni e impatti compensando i disallineamenti degli alberi. Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze shore, per trovare sempre un compromesso adatto fa le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni.

I limitatori di coppia SK, assolutamente privi di gioco, permettono di proteggere il sistema motore in caso di sovraccarico, scollegandolo dalla parte condotta nel giro di pochi millisecondi. Estremamente precisi, trasmettono la coppia con gande accuratezza e intervengono solo in caso di effettiva necessità. Inoltre consentono un riarmo semplice e rapido non appena viene rimossa la causa del sovraccarico.

Per una consulenza personalizzata, contattate R+W telefonicamente (02 2626 4163), via mail (info@rw-italia.it), tramite webchat disponibile sul sito www.rw-giunti.it o tramite i canali social dell’azienda: potrete contare su #progettiSicuri con R+W!