PRECEYES accelera lo sviluppo del primo robot al mondo per la chirurgia oculistica utilizzando la progettazione Model-Based
“MATLAB e Simulink hanno fornito un’unica piattaforma in grado di supportare il nostro intero workflow e tutte le componenti e i protocolli necessari al nostro sistema di robotica. Ciò ci ha consentito di sviluppare velocemente un dispositivo in tempo reale sicuro e pronto per la ricerca clinica.”
Sfida
Sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per procedure chirurgiche robotiche svolte all’interno dell’occhio umano
Soluzione
Utilizzo della progettazione Model-Based con MATLAB e Simulink per modellare e simulare il sistema di controllo e uso di Simulink Coder e Simulink Real-Time per distribuirlo su un target in tempo reale
Risultati
- Controller principale sviluppato da un solo ingegnere
- Sicurezza dei pazienti assicurata
- Tabella di marcia verso l’industrializzazione definita
PRECEYES Surgical System. Il sistema manipola lo strumento che entra nell’occhio ed è controllato dal controller di moto sulla sinistra; il chirurgo opera manualmente con l’altra mano. Immagine disponibile per gentile concessione di PRECEYES che ne detiene il copyright.
La chirurgia vitreoretinica, che viene svolta all’interno dell’occhio, richiede un livello di precisione e stabilità che la mano dell’uomo fa molta fatica a mantenere. Il forte aumento delle patologie vitreali, fortemente correlato all’invecchiamento della popolazione, richiede lo sviluppo di nuovi trattamenti per cui sono indispensabili livelli di precisione ancora più alti. Un nuovo potenziale trattamento per le occlusioni venose retiniche, ad esempio, prevede l’inserimento di un ago in una vena sottile come un capello, che poi deve essere mantenuto immobile per almeno 10 minuti, il che sarebbe praticamente impossibile anche per i chirurghi più competenti.
L’équipe chirurgica del John Radcliffe Hospital di Oxford, Inghilterra, ha svolto il primo intervento nel mondo di chirurgia vitreoretinica robotica nel 2016. Hanno utilizzato il PRECEYES Surgical System, un assistente robotico che ridimensiona i movimenti del chirurgo e filtra il tremolio della mano a garanzia di un livello di precisione e stabilità senza precedenti.
Di recente, PRECEYES ha avviato delle sperimentazioni cliniche al Rotterdam Eye Hospital. Hanno integrato con successo il nuovo sensore di distanza nel robot e convalidato la combinazione robot-sensore. Il sensore misura la distanza di uno strumento dalla retina all’interno dell’occhio. Garantendo orientamento e sicurezza basati su sensori, questo approccio promette di offrire notevoli vantaggi in termini di sicurezza e prestazioni durante gli impegnativi interventi alla retina. Per di più, sarà una preziosa fonte di dati per l’addestramento e la valutazione. L’équipe ingegneristica di PRECEYES ha progettato e implementato il sistema di controllo del robot usando la progettazione Model-Based con MATLAB®, Simulink® e Simulink Real-Time™.
“Poiché siamo una Lean Startup, per noi era importante realizzare una prima release in tempi rapidi senza compromettere la sicurezza, al fine di ottenere un feedback clinico e costruire prove, prima di progettare il prodotto finale,” dice Maarten Beelen, co-fondatore e Integration Manager di PRECEYES. “Simulink e Simulink Real-Time ci hanno consentito di progettare il nostro controller nel giro di pochissimo tempo, di verificarlo e implementarlo su un sistema in tempo reale, per poi testarlo con gli utenti. Un workflow di sviluppo software tradizionale avrebbe probabilmente allungato di molto i tempi.”
Sfida
PRECEYES ha definito degli obiettivi ambiziosi per il suo sistema chirurgico. La precisione aumentata non solo renderebbe possibili delle nuove procedure, ma migliorerebbe anche quelle esistenti, come il peeling della membrana dalla retina e la sostituzione del fluido oculare. Nel raggiungimento di tali obiettivi, il team di PRECEYES si è dato due priorità: garantire la sicurezza del paziente e produrre un dispositivo di ricerca clinica funzionante nel modo più efficiente possibile.
Per realizzare gli obiettivi di progettazione entro le tempistiche di sviluppo e rispettando i vincoli di sicurezza, il team ingegneristico di PRECEYES ha dovuto sfruttare la tecnologia di modellazione e simulazione che era stata utilizzata in altre applicazioni essenziali per la sicurezza in vari settori. Nello specifico, ha dovuto modellare una logica di controllo complessa e in seguito eseguire la verifica funzionale del progetto, prima tramite la simulazione e poi tramite test in tempo reale sul robot vero e proprio. Oltre al software di controllo in tempo reale, il team ha dovuto sviluppare un’applicazione non in tempo reale con un’interfaccia in esecuzione su PC che i medici potessero usare per configurare le impostazioni prima e dopo le procedure chirurgiche.
Soluzione
PRECEYES ha utilizzato la progettazione Model-Based con MATLAB, Simulink e Simulink Real-Time per accelerare lo sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per il suo PRECEYES Surgical System.
In fase di costruzione di un modello base della cinematica e della dinamica del robot, gli ingegneri di PRECEYES hanno condotto dei test di identificazione del sistema in cui si sono serviti di Simulink Real-Time per produrre segnali di eccitazione per gli 11 elettromotori del robot e, in seguito, hanno misurato le risposte su ciascuno dei suoi 11 gradi di libertà.
Dopo l’analisi e il fitting dei dati di misurazione in MATLAB, hanno utilizzato i risultati per sviluppare un modello di impianto Simulink che descriveva i movimenti del robot in risposta alle forze applicate.
Il team ha sviluppato un modello di controller in grado di elaborare gli input ricevuti dal joystick del sistema e dai circa 60 sensori, compresi i codificatori ottici e magnetici, e di generare i segnali elettrici necessari per far muovere la punta dello strumento in risposta ai movimenti del chirurgo. All’interno di questo modello, hanno integrato dei blocchi EtherCAT da Simulink Real-Time perché possa interfacciarsi con i nodi EtherCAT del robot.
Usando Stateflow®, il team ha modellato la logica sequenziale di varie modalità operative del sistema, tra cui la calibrazione, l’inizializzazione e l’autoverifica.
Dopo aver verificato il funzionamento base del controller e la logica di controllo tramite la simulazione, gli ingegneri hanno generato il codice a partire dal modello usando Simulink Coder™ e hanno distribuito il codice compilato su un computer target in tempo reale in cui Simulink Real-Time era in esecuzione. Questo computer era collegato ai sensori e ai motori del robot tramite la rete EtherCAT.
Per affinare e ottimizzare il controller, il team ha apportato delle migliorie al modello, le ha verificate per mezzo della simulazione e poi le ha testate sul robot vero e proprio con la configurazione di Simulink Real-Time.
Gli ingegneri hanno utilizzato GUIDE, uno strumento di sviluppo di IU MATLAB, per sviluppare il software dell’applicazione touch-screen che i chirurghi usano per modificare le impostazioni chirurgiche e ricevere feedback visivi e acustici durante gli interventi.
La sicurezza e l’efficacia del PRECEYES Surgical System è stata dimostrata in 14 procedure chirurgiche. Ulteriori dimostrazioni sono previste presso strutture chirurgiche di rilievo, compresa una collaborazione biennale con il Rotterdam Eye Hospital. L’azienda sta anche lavorando sulla marcatura CE e la prossima generazione per la produzione di massa.
Il PRECEYES Surgical System, prima dell’intervento chirurgico, al Rotterdam Eye Hospital. Immagine disponibile per gentile concessione di PRECEYES che ne detiene il copyright.
Risultati
- Controller principale sviluppato da un solo ingegnere. “Grazie a MATLAB e Simulink non mi sono ritrovato a dover programmare un’architettura di basso livello per il controller. Essendo l’unico ingegnere software a sviluppare la prima release, questo è stato un enorme vantaggio. Dubito che un solo ingegnere avrebbe potuto fare il lavoro in altri modi,” dice Beelen. “Il software è stato ampiamente esaminato dai consulenti, il che è stato piuttosto semplice in ragione della leggibilità, della tracciabilità dei requisiti e delle funzionalità di generazione di report dei prodotti Simulink.”
- Sicurezza dei pazienti assicurata. “Mi sono sempre detto che non avrei mai immesso sul mercato un dispositivo a meno che non fossi stato disposto a utilizzarlo su di me o una persona a me cara,” afferma Beelen. “Con i meccanismi di sicurezza che avevamo implementato in Simulink, ero sicuro al 100% che non ci sarebbero stati problemi con il software.”
- Tabella di marcia verso l’industrializzazione definita. “Per lo sviluppo della release industrializzata del nostro sistema, risparmieremo tempo generando il codice a partire dal nostro modello di controller esistente, usando Embedded Coder per il targeting di un processore embedded,” dice Beelen. “Ci atterremo a un workflow di sviluppo e test più formale, con un controllo delle revisioni migliorato e un team di sviluppo più ampio, utilizzando le funzionalità di test, verifica e convalida basate su modelli in Simulink.”
