Progressi dell'invenzione della mano robotica per la chirurgia cerebrale minimamente invasiva

Una minuscola mano robotica progettata per migliorare la neurochirurgia è un passo avanti verso la pratica clinica. Lo strumento microrobotico è creato da un team di ricercatori dell'Università di Toronto guidati da Eric Diller, professore associato presso il dipartimento di ingegneria meccanica e industriale della Facoltà di Scienze Applicate e Ingegneria. Gestito da un sistema elettromagnetico, il dispositivo consente ai chirurghi di accedere aree del cervello difficili da raggiungere con un livello minimo di invasività, promettendo un trattamento e un recupero più rapidi per i pazienti. "Stiamo progettando il meccanismo che guida questa mano robotica, che sostanzialmente fungerà da mano di un chirurgo", afferma Diller. "Stiamo anche utilizzando campi magnetici per far muovere questa piccola mano, che è il nostro approccio unico per farlo." Il team presenterà le ultime scoperte alla Conferenza internazionale IEEE 2023 sulla robotica e l’automazione (ICRA) più avanti questa primavera. Il loro nuovo documento della conferenza esamina la fattibilità degli strumenti appena sviluppati per garantire che siano pronti per le sperimentazioni precliniche. "Nessun altro ha sviluppato prima questi strumenti magnetici azionati in modalità wireless", afferma Diller. "Quindi, dovevamo classificare i diversi tipi di elementi operativi di base che un chirurgo dovrebbe eseguire, come tirare il tessuto, ritrarlo e applicare forza per tagliare il tessuto. "Abbiamo determinato che per la chirurgia cerebrale, comprese le procedure mirate all'epilessia o la rimozione tumori: possiamo ottenere forza sufficiente per eseguire le attività neurochirurgiche necessarie." I progetti presentati nel nuovo studio sono un'estensione di due articoli precedenti pubblicati nel 2021 in collaborazione con James Drake, chirurgo capo presso l'Hospital for Sick Children ( SickKids) e professore di chirurgia presso la Facoltà di Medicina Temerty della U of T. Da allora, il team ha sviluppato un sistema di bobina elettromagnetica su scala clinica, progettato e costruito dall'alunno della U of T Engineering Adam Schonewille, ex studente della Diller's Lab. Il sistema ha un volume di lavoro che corrisponde all'incirca alle dimensioni di una testa umana adulta, con tutti gli elettromagneti situati sotto una superficie piana: un requisito di progettazione per il team di Drake al SickKids, poiché i chirurghi richiedono un accesso senza ostacoli al paziente. "I robot chirurgici esistenti occupano già molto spazio nella sala operatoria, quindi volevamo che il nostro sistema fosse il più discreto possibile pur fornendo al campo magnetico la forza necessaria per svolgere il lavoro", afferma Cameron Forbrigger, che ha conseguito il dottorato di ricerca dalla U of T Engineering l'anno scorso ed è l'autore principale del nuovo articolo. "Questo sistema elettromagnetico rappresenta un importante passo avanti per la fattibilità del nostro approccio chirurgico e abbiamo riscontrato molto interesse da parte di ricercatori internazionali nel nostro campo." Un contributo significativo della tesi di dottorato di Forbrigger ha coinvolto la modellizzazione del modo in cui la progettazione magnetica di uno strumento modella la sua risposta al campo magnetico. Usando quel modello, è stato in grado di classificare i progetti di utensili in base alle prestazioni previste. "Ciò accelera il nostro processo di progettazione perché non abbiamo bisogno di costruire uno strumento e testarlo per sapere come si comporterà", afferma. "Questo modello ci ha anche permesso di sviluppare una strategia di controllo che calcola automaticamente il campo magnetico ottimale necessario per muovere l'utensile attraverso il movimento desiderato." Il team sta anche lavorando per superare una sfida significativa che devono affrontare molti robot chirurgici: acquisire informazioni in tempo reale sulla posizione e sull'orientamento dello strumento. I chirurghi che utilizzano lo strumento dovranno inserirlo in un canale nel cervello e sapere dove si trova. Per simulare ciò, il gruppo di ricerca utilizza cervelli "fantasma" fatti di gomma, inserendo lo strumento lungo e sottile nel modello che ha le stesse dimensioni e forma di un cervello reale. Sebbene la fotocamera sulla punta dello strumento fornisca alcune informazioni sulla posizione, Diller afferma che il feedback non è molto accurato a causa del suo scarso punto di vista. Per superare questa sfida visiva, il dottorando Erik Fredin, il secondo autore dell’articolo della conferenza, sta sviluppando un algoritmo di visione artificiale utilizzando l’apprendimento automatico, che è fondamentale per l’utilità dello strumento. I risultati della visione artificiale mostrano che è in grado di rilevare gli angoli dello strumento mentre l'operatore lo controlla. Il prossimo passo verso l’uso clinico e la commercializzazione sarà lo spostamento del sistema e degli strumenti elettromagnetici all’ospedale SickKids per le sperimentazioni sugli animali vivi. "I chirurghi possono essere scettici sull'efficacia di un nuovo strumento chirurgico finché non lo vedono testato in uno scenario realistico – ed è giusto che sia così", afferma Forbrigger, che ora è ricercatore post-dottorato presso l'ETH di Zurigo. "Abbiamo fatto molti sforzi per dimostrare quantitativamente le prestazioni degli strumenti, ma ora abbiamo raggiunto il punto in cui i modelli animali rappresentano il prossimo passo fondamentale verso un ulteriore sviluppo."