Applicazione di un approccio basato su modelli per lo sviluppo di robot microchirurgici

Le tecniche e gli strumenti microchirurgici consentono ai chirurghi di eseguire procedure complesse su nervi, vasi sanguigni e minuscole strutture di tessuto umano con eccezionale precisione. Sebbene la microchirurgia sia molto promettente per il miglioramento dei risultati dei pazienti, operare all’interno di spazi di lavoro strettamente limitati su scale submillimetriche richiede stabilità e destrezza straordinarie. Un chirurgo esperto può collegare vasi di diametro compreso tra 0,3 e 0,8 millimetri (mm). Tuttavia, l'inevitabile tremore fisiologico della mano del chirurgo limita l'efficacia di tali procedure di anastomosi. Inoltre, lo spazio di lavoro e le sfide cinematiche in un'anatomia confinata possono richiedere più iterazioni di progettazione che richiedono molto tempo e sono costose.

I robot microchirurgici possono aiutare i chirurghi a superare le limitazioni imposte da spazi di lavoro ristretti, tremori alle mani e affaticamento. La progettazione di questi robot, tuttavia, introduce una nuova serie di sfide. Innanzitutto, per ridurre il tempo che i chirurghi dedicano all’apprendimento di nuovi strumenti, i robot devono essere in grado di assistere con diversi tipi di procedure, non solo con una. In secondo luogo, a differenza dei robot industriali utilizzati in spazi di lavoro senza esseri umani nelle vicinanze, i robot microchirurgici vengono utilizzati direttamente sugli esseri umani e quindi devono essere progettati avendo come priorità assoluta la sicurezza del paziente. Infine, per ridurre al minimo i danni ai tessuti e ridurre i tempi di recupero, i robot devono essere minimamente invasivi, lavorando idealmente attraverso un’unica, piccola incisione.

Molte decisioni progettuali dipendono dalla riduzione al minimo dell'invadenza, garantendo al contempo al chirurgo sufficienti gradi di libertà per eseguire le procedure in modo efficace. Non esiste una risposta valida per tutti a questa domanda di compromesso e, di conseguenza, i team di progettazione robotica microchirurgica hanno spesso fatto molto affidamento su approcci per tentativi ed errori. Devono specificare i requisiti, creare un progetto per soddisfarli e quindi assemblare un prototipo. I team di progettazione quindi testano il prototipo per perfezionare ulteriormente i requisiti prima di ripetere questo ciclo. Spesso sono necessarie più iterazioni di questo ciclo e i tempi del ciclo sono rallentati dalla necessità di creare o ricostruire il prototipo hardware a ciascuna iterazione.

Alla Zhejiang University, io e i miei colleghi abbiamo applicato un approccio incentrato sul design e basato su modelli per lo sviluppo di sistemi per la chirurgia mini-invasiva assistita da robot. Utilizzando questo approccio, abbiamo recentemente progettato un manipolatore robotico per anastomosi e procedure oftalmiche basato su una struttura a parallelogramma. Abbiamo eseguito analisi computazionali e test di simulazione con Simulink^® e Simscape Multibody™ per visualizzare la traiettoria dell'effettore finale del manipolatore e confermare che il design soddisfa i requisiti di sicurezza e operabilità chirurgica (Figura 1). Questo approccio accelera lo sviluppo e ci consente di identificare e risolvere molti problemi di progettazione prima di investire tempo e risorse nella creazione di un prototipo hardware.

Progettazione della struttura meccanica

Abbiamo iniziato il nostro processo di progettazione definendo i requisiti e gli obiettivi di progettazione per il manipolatore microchirurgico. Questi includevano, ad esempio, un obiettivo di precisione inferiore a 10 micrometri per la punta, un raggio di movimento di 20x20x20 mm e un meccanismo di cambio rapido per l'effettore finale del sistema che consentirà ai chirurghi di sostituire rapidamente gli strumenti durante una procedura.

Un componente chiave della progettazione del sistema è il meccanismo del centro di movimento remoto (RCM), che limita i gradi di libertà (DOF) dello strumento a tre DOF rotazionali (ψ , ϕ e θ ) attorno all'incisione e un DOF traslazionale (Z) nella direzione di inserimento dello strumento. Abbiamo progettato una struttura a doppio parallelogramma che consente il movimento dell'effettore finale in tutto lo spazio di lavoro con i seguenti intervalli di movimento: ψ: ±45°；ϕ: ±75°;θ: 360°; Z: 32 mm. Dopo aver prima analizzato questa struttura tramite un modello matematico basato sui principi primi, abbiamo creato un montaggio CAD in SolidWorks^® (Figura 2).

Esecuzione di analisi basate sulla simulazione in Simscape Multibody

Il passo successivo è stato esportare il montaggio CAD da SolidWorks utilizzando il plug-in Simscape Multibody Link, quindi importare il file di descrizione multicorpo XML risultante in Simscape Multibody per creare un modello Simscape™ del nostro progetto (Figura 3). Abbiamo aggiunto motori sui giunti ϕ, ψ e Z per il controllo del movimento e abbiamo eseguito più simulazioni utilizzando un sensore di posizione per tracciare la posizione e il movimento dell'effettore finale.

Analizzando e tracciando i risultati di queste simulazioni in MATLAB^®, abbiamo visualizzato la gamma dell'effettore finale all'interno dello spazio cubico per le procedure di anastomosi e all'interno dello spazio sferico per le procedure oftalmiche (Figura 4). Questo per garantire la sicurezza del paziente e un'elevata probabilità di successo chirurgico per il paziente, con tutti i punti dell'anatomia raggiungibili durante una procedura. Questa valutazione richiede l'utilizzo della cinematica del robot per sviluppare una nuvola di punti e valutare le traiettorie osservate negli interventi chirurgici tradizionali.

Figura 4. Viste multiple dell'area di lavoro per le procedure oftalmiche (prima) e le procedure di anastomosi (seconda).

Abbiamo anche eseguito simulazioni in cui abbiamo tracciato il movimento e la traiettoria dell'effettore finale, ad esempio, per confermare che il design soddisfaceva il requisito chirurgico per un movimento ad arco sulla superficie dell'occhio (Figura 5).

Principali vantaggi di un approccio Model-Based

Nella nostra ricerca, vediamo diversi vantaggi chiave nell’approccio basato su modelli che abbiamo adottato. Tra gli aspetti più preziosi c’è la capacità di iterare rapidamente il progetto per assicurarsi che sia pienamente funzionale nel regno digitale prima di passare all’implementazione fisica. Una cosa è creare un progetto su carta o in un software CAD e sapere che in teoria dovrebbe funzionare, ma, quando lo vediamo funzionare in un ambiente virtuale tramite simulazione con Simulink e Simscape, otteniamo inevitabilmente ulteriori informazioni per migliorarlo.

Con i modelli digitali prontamente disponibili nell’approccio basato su modelli, possiamo ridurre ulteriormente i tempi di sviluppo utilizzando la tecnologia di stampa 3D per la prototipazione rapida del meccanismo del robot in combinazione con l’analisi di simulazione. Il test hardware del progetto derivato dall'approccio basato su modello mostra che il prototipo mantiene con successo il punto RCM sull'occhio del paziente (Figura 6).

Inoltre, lavorare in Simulink e Simscape rende più semplice per i numerosi studenti che lavorano nel nostro team aggiornarsi e coordinare i propri sforzi. Gli studenti passano da un progetto all'altro prima di laurearsi e un approccio basato su modelli li aiuta a trasmettere ciò che hanno fatto agli altri. I modelli sono più facili da spiegare e da comprendere, quindi quando il gruppo successivo vuole estendere o generalizzare il lavoro del team precedente, sa da dove iniziare e cosa fare.

Infine, ora che abbiamo dimostrato la fattibilità del progetto meccanico, siamo pronti per iniziare lo sviluppo del sistema di controllo e, così facendo, ottimizzare ulteriormente la struttura. La progettazione Model-based con MATLAB e Simulink aiuterà in entrambi questi sforzi, consentendoci di convalidare la sicurezza del sistema completo tramite simulazione e di abbreviare il ciclo di sviluppo complessivo.