All'avanguardia: l'ascesa dei robot chirurgici / Cutting edge: the rise of surgical robots
All'avanguardia: l'ascesa dei robot chirurgici / Cutting edge: the rise of surgical robots
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I progressi della robotica stanno aiutando i chirurghi ad eseguire una varietà di procedure sempre più complesse.
Tra tutte le straordinarie innovazioni in campo sanitario, l'uso dei robot in chirurgia è forse quella più vicina alla fantascienza. Per alcuni potrebbe evocare immagini del luccicante androide medico che ha curato il volto frantumato di Luke Skywalker ne L'Impero colpisce ancora; tuttavia, per molti, è un concetto estremamente inquietante. Sottoporsi ad un intervento chirurgico è forse la perdita di controllo definitiva ed il pensiero di perderlo a favore di una macchina, piuttosto che di un essere umano, è un passo difficile.
Tuttavia, l'obiettivo della chirurgia robotica è in realtà l'esatto opposto della resa ad una macchina, poiché il concetto mira a restituire il controllo dell'intervento chirurgico ad un chirurgo umano, sfruttando i punti di forza sia dell'uomo che del robot.
La domanda di chirurgia robotica è nata dall'aumento della chirurgia laparoscopica, nota anche come laparoscopia; la tecnica di eseguire interventi attraverso due o tre piccole incisioni: una che consente l'accesso al laparoscopio, una sorgente luminosa ed una telecamera combinate, o microscopio, attraverso cui il chirurgo può vedere il sito operatorio; ed una o più per gli strumenti chirurgici.
Questa tecnica offre diversi vantaggi: i tempi di recupero sono più rapidi, poiché le piccole ferite guariscono più rapidamente di quelle grandi; non è necessario tagliare più pelle e muscoli, quindi la riabilitazione è più rapida; si riduce il rischio di infezioni postoperatorie; e l'intero processo è, letteralmente, meno traumatico.
Gli studenti che acquisiscono le competenze meglio e più velocemente hanno una cosa in comune: giocano molto ai videogiochi.
Tuttavia, per il chirurgo, i vantaggi sono bilanciati da un grave svantaggio: la chirurgia laparoscopica è molto, molto difficile. Il sito chirurgico non è aperto, quindi non si può vedere cosa si sta facendo, e si utilizzano strumenti e manipolatori che, per quanto avanzati, sono sempre meno agili della mano umana. A causa della necessità di ridurre al minimo i traumi, incisioni e punti di sutura devono essere molto piccoli, il che è fisicamente impegnativo.
Le operazioni tendono a durare più a lungo; se qualcosa va storto, può essere più difficile correggerlo e, per alcune operazioni, il rischio di complicazioni è più elevato.
Ed è qui che entra in gioco l'assistenza robotica. Dopotutto, i robot possono svolgere alcuni compiti in modo più efficace degli esseri umani, soprattutto quando è richiesta estrema precisione o ripetitività.
I robot non si stancano, non hanno tremori alle mani e possono seguire le istruzioni con precisione.
Il robot chirurgico più noto è probabilmente il sistema da Vinci, prodotto dall'azienda californiana Intuitive Surgical. Introdotto nel 1999, da Vinci è un dispositivo di telepresenza gestito a distanza da un chirurgo umano da una postazione di lavoro dotata di video. Il chirurgo utilizza comandi manuali che azionano quattro braccia dotate di strumenti chirurgici.
Intervenendo ad un evento organizzato dall'Institution of Mechanical Engineers, Prokar Dasgupta, professore di chirurgia robotica al King's College di Londra ed utilizzatore di da Vinci, ha spiegato che negli ultimi anni il sistema è diventato ampiamente utilizzato per la chirurgia del cancro alla prostata, soprattutto quando è necessario rimuovere completamente la ghiandola prostatica. Dasgupta, che esercita presso il Guy's Hospital, ha anche affermato che da Vinci è estremamente utile per prevenire l'affaticamento del chirurgo.
Quel tipo di movimento preciso e ripetitivo è carne e bevanda per un robot
Patrick Finlay, MediMation
Il sistema è dotato di un filtro del tremore, che elimina qualsiasi scossa dai movimenti del chirurgo sui comandi prima di trasmetterli alle braccia della macchina; e di un movimento scalato, in modo che un movimento di 1 cm delle mani del chirurgo diventi un movimento di 1 mm dei manipolatori del robot.
"Questo è importante, ad esempio, per la sutura. Significa che il chirurgo non deve fare piccoli movimenti ripetuti per produrre i piccolissimi punti di sutura necessari per ricollegare l'uretra alla vescica nella prostatectomia radicale", ha affermato Dasgupta.
Tuttavia, da Vinci non fornisce alcun feedback al chirurgo e deve essere operato solo con la vista.
"Ci vogliono competenze specifiche e ci vuole un po' di tempo per impararle", ha detto Dasgupta. Sembra che gli studenti che acquisiscono le competenze necessarie per utilizzare Leonardo da Vinci al meglio e più velocemente abbiano una cosa in comune: giocano molto ai videogiochi. "Quindi potremmo dire che se non giochi ai videogiochi, probabilmente dovresti dedicarti a qualcos'altro".
In alcuni casi, è utile pensare ai robot chirurgici non come a sostituti degli esseri umani, ma come a macchine utensili. Svolgono un compito simile: svolgono compiti relativamente semplici, ma con una precisione irraggiungibile per i chirurghi.
È nel campo dell'ortopedia che queste tipologie di "robochirurghi" stanno assistendo ai maggiori sviluppi. "L'ortopedia è molto adatta all'uso dei robot, semplicemente perché le ossa sono dure e non si muovono, quindi creano meno problemi rispetto ai tessuti molli", ha affermato il Prof. Klaus Radermacher dell'Università di Aquisgrana, che sta guidando un gruppo per sviluppare una fresatrice robotica da utilizzare in chirurgia ortopedica.
La fresatura è una parte importante della chirurgia per la sostituzione di articolazioni come anche le ginocchia. Le protesi articolari vengono ancorate con cemento osseo e ogni traccia di questo deve essere rimossa prima di posizionare la nuova articolazione. Questa operazione può essere eseguita con strumenti manuali, ma è un lavoro faticoso, mentre l'uso di robot offre evidenti vantaggi.
L'ortopedia è molto adatta all'uso dei robot, semplicemente perché le ossa sono dure e non si muovono
Prof. Klaus Radermacher, Università di Aquisgrana
Il gruppo di Radermacher sta sviluppando un sistema di fresatura modulare con teste portautensili intercambiabili, in grado di asportare materiale durante interventi chirurgici all'anca, al ginocchio od alla colonna vertebrale.
La riconfigurazione dei componenti modifica la geometria dello strumento in modo che possa lavorare con le angolazioni corrette per ciascuna articolazione. Una volta rimossa la vecchia protesi, lo strumento inserisce innanzitutto una sonda ecografica nella cavità ossea per determinare dove si trova il cemento osseo residuo. Il chirurgo utilizza quindi un software dedicato per elaborare un percorso utensile per rimuovere il cemento e sostituisce la testina di imaging con una fresa. L'operazione delicata e precisa può quindi essere eseguita sotto il controllo umano, ma senza l'intervento umano.
Una classe simile di interventi chirurgici, detta "needle driving", si riferisce all'inserimento di qualsiasi strumento dritto e rigido nel corpo. Potrebbe trattarsi di un intervento ortopedico, con l'inserimento di perni, viti o trapani per riparare le fratture.
Tuttavia, viene spesso utilizzato nei tessuti molli per eseguire biopsie, drenare liquidi, impiantare farmaci od altri agenti terapeutici in siti precisi, o per posizionare elettrodi per trattare disturbi cerebrali, come il morbo di Parkinson. In tutti i casi, è fondamentale che la punta dello strumento raggiunga il punto giusto all'interno del corpo senza danneggiare nulla lungo il percorso.
Si tratta di procedure ampiamente utilizzate, secondo Patrick Finlay, amministratore delegato di Medimation, azienda che sviluppa la chirurgia robotica, il quale ha affermato che nel 2006, solo negli Stati Uniti, sono stati eseguiti più di 7,75 milioni di interventi con aghi.
Finlay ha spiegato che esistono due tipi di procedura di guida dell'ago: una in cui l'ago può essere inserito in qualsiasi punto per raggiungere il bersaglio ed una in cui il punto di ingresso ed il bersaglio sono fissi. Nel primo caso, l'ago deve solo ruotare od inclinarsi per raggiungere la traiettoria richiesta, oltre a muoversi dentro e fuori: tre assi di movimento. Nel secondo caso, deve inclinarsi verso l'alto e verso il basso, ruotare a sinistra ed a destra e traslare lungo gli assi X e Y: cinque assi, incluso il movimento di entrata e uscita. Entrambe queste modalità sono facilmente realizzabili dai robot.
L'inserimento dell'ago tramite robot, come tutti gli interventi chirurgici mininvasivi assistiti da robot, funziona in sinergia con l'imaging. Il sito operatorio viene scansionato tramite TAC o RM ed il bersaglio esatto per la punta dello strumento viene localizzato mappando la scansione sul paziente. Questa fase, nota come registrazione, è una delle fasi più importanti di un intervento assistito da robot.
Il chirurgo indica quindi questo punto al sistema di controllo del robot tramite un touch screen od uno stilo, ed il sistema di controllo traccia il percorso migliore per lo strumento prima di regolarne la posizione. In molti casi, l'inserimento effettivo dell'ago viene eseguito dal chirurgo mentre il robot sposta un tubo guida in posizione e lo blocca.
Il vantaggio di questo metodo, ha spiegato Finlay, è ancora una volta la precisione. "Se si esegue una biopsia di un possibile tumore polmonare e si inserisce lo strumento manualmente, si può colpire in modo affidabile solo un tumore di 1 cm di diametro. Se è più piccolo, si può solo consigliare al paziente di tornare dopo qualche mese e, naturalmente, questo non è affatto auspicabile. Ma un ago robotico può colpire in modo affidabile un punto di 3 mm di diametro".
Un sistema del genere potrebbe rivelarsi particolarmente utile in uno degli ambiti più complessi per qualsiasi chirurgo: gli interventi chirurgici al cervello. La risonanza magnetica funzionale (fMRI) e la TAC avanzate ci hanno fornito un accesso senza precedenti ad informazioni sulle aree del cervello responsabili di particolari funzioni.
"Per un chirurgo che cerca di accedere ad una regione del cervello, il problema è come raggiungerla con la stessa precisione con cui riesce a vederla, causando danni collaterali minimi e impiegando il minor tempo possibile". È impegnativo, anche per il chirurgo più freddo.
Se esegui una biopsia a mano, puoi colpire solo un bersaglio di 1 cm di diametro. Un robot può colpire un punto di 3 mm di diametro.
Patrick Finlay, MediMation
Un tipo di neurochirurgia in cui i robot potrebbero rivelarsi particolarmente utili è una forma di terapia oncologica in cui nanoparticelle magnetiche vengono inserite nel tumore secondo uno schema a griglia tridimensionale, ad una distanza di 3 mm l'una dall'altra. Dopo che l'intero tumore è stato seminato, l'area viene sottoposta ad un impulso a radiofrequenza che riscalda le nanoparticelle, uccidendo le cellule tumorali.
"Immaginate di dover posizionare manualmente tutte quelle nanoparticelle", ha detto Finlay. "Ci vorrebbero ore... ma quel tipo di movimento preciso e ripetitivo è carne e pesce per un robot".
Nonostante questi progressi, la chirurgia robotica rimane impopolare nel Regno Unito. Secondo Jonathan Gilbert, chirurgo colorettale presso il Wexham Park Hospital di Slough, i pazienti tendono ad evitarla. "Se dico loro che userò un robot, danno per scontato che sarà il robot a fare il lavoro e io sarò su un campo da golf", ha affermato. "E io non gioco nemmeno a golf".
Gilbert utilizza infatti un assistente chirurgico robotico che regge e guida il suo laparoscopio in base ai movimenti della testa. "Restituisce il controllo del campo visivo al chirurgo", ha affermato. "Significa che non devo preoccuparmi che un assistente punti la telecamera nel punto sbagliato e non devo dare istruzioni".
Sembra che non dobbiamo preoccuparci troppo di cedere il controllo ad una macchina in sala operatoria, che potrebbe evolversi in modo simile a una fabbrica: da uno spazio affollato di persone che utilizzano utensili manuali a un luogo più silenzioso con macchine dedicate. Tuttavia, il punto è puntare sui punti di forza. Le macchine faranno ciò che sanno fare meglio, ma gli esseri umani manterranno saldamente il controllo.
Retroscena
Attraverso il buco della serratura
Il progetto Robocast mira a creare un sistema robotico che consentirà la neurochirurgia di precisione. Il progetto UE Robocast riunisce diversi progetti di chirurgia robotica per realizzare un sistema per la neurochirurgia mininvasiva.
Unendo bracci robotici leggeri, derivati dalla ricerca per il funzionamento orbitale, con sonde flessibili biomimetiche, il progetto mira a combinare le possibilità di funzionamento a distanza di da Vinci con la precisione e la ripetibilità tipiche delle macchine utensili.
Tra i soggetti coinvolti ci sono le università di Verona, Siena, Monaco, Gerusalemme e Karlsruhe, insieme all'Imperial College, all'Israel Institute of Technology e all'azienda israeliana di robotica Mazor, specializzata in robot chirurgici compatti che possono essere montati direttamente sul corpo del paziente.
La sonda STING (Soft-Tissue Intervention and Neurosurgical Guide) dell'Imperial College, che imita l'organo di deposizione delle uova di una vespa xilofagi, fa parte di questo progetto ed è progettata per essere guidata attraverso un percorso complesso all'interno del cervello, evitando strutture vitali per raggiungere il punto di interesse.
I partner di Robocast mirano anche a sviluppare sistemi di feedback tattile, una caratteristica attualmente assente nei robot chirurgici.
Questo potrebbe essere utilizzato per guidare il chirurgo lontano dagli organi vitali limitando il movimento, o per consentire al chirurgo di percepire attraverso un manipolatore remoto, come se stesse operando manualmente. Questa sensazione aggiuntiva aiuterebbe, ad esempio, nella sutura, che si basa fortemente sul senso del tatto.
ENGLISH
Advances in robotics are helping surgeons perform a variety of increasingly complex procedures.
Of all the amazing innovations taking place in healthcare, the use of robots in surgery is perhaps the closest to science fiction. For some it might conjure up images of the gleaming medical android that mended Luke Skywalker’s shattered face in The Empire Strikes Back; however, for many people, it’s an extremely disquieting concept. Submitting yourself to surgery is perhaps the ultimate loss of control and the thought of losing control to a machine, rather than a human, is a difficult step.
However, the object of robot surgery is in fact the exact opposite of surrendering to a machine, as the concept aims to restore control of the surgery to a human surgeon by playing to the strengths of both human and robot.
The demand for robot surgery has arisen from the increase of keyhole surgery - also known as laparoscopy; the technique of performing operations through two or three small incisions: one allowing access for a laparoscope - a combined light source and camera, or microscope, through which thesurgeon can see the operative site; and one or more for the surgical instruments.
This technique offers several advantages - namely that recovery times are faster as small wounds heal quicker than large ones; the need to slice through as much skin and muscle is removed, so rehabilitation is quicker; the chance of post-operative infection is reduced; and the whole process is, literally, less traumatic.
The students who pick up the skills best and fastest have one thing in common: they play a lot of computer games
However, for the surgeon, the advantages are balanced by a major disadvantage - keyhole surgery is very, very difficult. The surgical site isn’t open, so you can’t see what you’re doing, and you’re using tools and manipulators that, however advanced, are always less dextrous than the human hand. Because of the need to reduce trauma, incisions and stitches have to be very small, which is physically taxing.
The operations tend to take longer; if anything goes wrong it can be more difficult to correct and, for some operations, the risk of complications is higher.
And this is where robotic assistance is needed. Robots can, after all, accomplish some tasks more effectively than humans, especially where extreme precision or repetition is involved.
Robots don’t get tired, they don’t have hand tremors and they can follow instructions precisely.
The best-known surgical robot is probably the da Vinci system, manufactured by Californian company Intuitive Surgical. Introduced in 1999, da Vinci is a telepresence device that is remotely operated by a human surgeon from a video-equipped workstation. The surgeon uses hand controls that operate four arms tipped with surgical tools.
Speaking at an event organised by the Institution of Mechanical Engineers, Prokar Dasgupta, professor of robotic surgery at King’s College London and a user of da Vinci, explained that the system has, in recent years, become widely used for prostate cancer surgery - especially when it is necessary to completely remove the prostate gland. Dasgupta, who practices at Guy’s Hospital, also said that da Vinci is extremely useful in preventing surgeon fatigue.
That sort of precise, repetitive movement is meat and drink to a robot
Patrick Finlay, MediMation
The system features tremor filtering, removing any shaking from the surgeon’s movements on the controls before transmitting them to the machine’s arms; and scaled movement, so that a movement of 1cm of the surgeon’s hands becomes a movement of 1mm of the robot’s manipulators.
This is important for suturing, for example. It means that the surgeon doesn’t have to make tiny, repeated movements to produce the very small stitches needed to rejoin the urethra to the bladder in radical prostatectomy,’ Dasgupta said.
However, da Vinci supplies no feedback to the surgeon and has to be operated by sight alone. ’This is a very particular skill set and it takes a while to learn,’ Dasgupta said. It seems that the students who pick up the skills needed to operate da Vinci best and fastest have one thing in common: they play a lot of computer games. ’So we might have to say that if you don’t play computer games, you should probably go and do something else.’
In some cases, it’s useful to think of surgical robots not as replacement humans, but as machine tools. They perform a similar task - carrying out relatively simple tasks but with a precision unattainable for surgeons.
It’s in the area of orthopaedics that these types of ’robosurgeon’ are seeing the biggest developments. ’Orthopaedics are very well suited to using robots - simply because bones are hard and don’t move, so they create fewer problems than soft tissue,’ said Prof Klaus Radermacher of the University of Aachen, who is leading a team to develop a robotic milling machine for use in orthopaedic surgery.
Milling is an important part of surgery to replace joints such as hips and knees. Prosthetic joints are anchored in place with bone cement and all traces of this must be removed before the new joint is put into place. This can be done with hand-held tools, but it’s tiring work where the use of robots offers obvious advantages.
Orthopaedics are very well suited to using robots - simply because bones are hard and don’t move
Prof Klaus Radermacher, University of Aachen
Radermacher’s team is developing a modular milling system with interchangeable tool heads that is capable of milling away material in hip, knee or spinal surgery.
Reconfiguring the components changes the geometry of the tool so that it can work at the correct angles for each joint. Once the old prosthetic is removed, the tool first inserts an ultrasound probe into the bone cavity to determine where the remaining bone cement is. The surgeon then uses dedicated software to work out a tool path to grind away the cement and swaps the imaging head for a milling tool. The delicate, precise operation can then be carried out under human control, but without human intervention.
A similar class of surgery, ’needle driving’, refers to the insertion of any straight, rigid instrument into the body. This could be an orthopaedic operation, fixing pins, screws or drills to repair fractures.
However, it’s frequently used in soft tissues to perform a biopsy, drain fluid, implant drugs or other therapeutic agents at precise sites, or to locate electrodes to treat disorders of the brain, such as Parkinson’s disease. In all cases, it’s vital that the tip of the instrument gets to the right place within the body without damaging anything on the way.
These are widely used procedures, according to Patrick Finlay, managing director of robotic surgery developer Medimation, who claimed that, in 2006, more than 7.75 million needle-driving operations were carried out in the US alone.
Finlay explained that there are two types of needle-driving procedure - one where the needle can be inserted at any point to reach the target and one where the entry point and the target are fixed. For the former, the needle only needs to pan or tilt to reach the required trajectory, as well as moving in and out - three axes of movement. For the latter, it needs to tilt up and down, pan left and right, and translate along X and Y axes - five axes, including the in-out movement. But both of these modes are easily achieved by robots.
Robotic needle driving, like all robot-assisted, minimally invasive surgery, works in cooperation with imaging. The operation site is scanned using CT scanning or MRI and the exact target for the instrument tip is located by mapping the scan onto the patient. This stage, known as registration, is one of the most important parts of a robot-assisted operation.
The surgeon then indicates this point to the robot’s control system using a touch screen or stylus and the control system plots the best path for the instrument before adjusting its position. In many cases, the actual needle driving is done by the surgeon while the robot moves a guide tube into position and locks it in place.
The advantage of this, Finlay explained, is again the accuracy. ’If you’re doing a biopsy of a possible lung tumour and you’re inserting the instrument by hand, you can only reliably hit a tumour 1cm across. If it’s smaller than that, you can only advise the patient to come back in a few months and, of course, that isn’t desirable at all. But a robotic needle driver can reliably hit a spot 3mm across’.
Such a system could be particularly useful in one of the most challenging areas for any surgeon - operations on the brain. Advanced fMRI and CT scanning has given us unprecedented access to information about which areas of the brain are responsible for particular functions.
’For a surgeon trying to access a region of the brain, the problem is how to reach it with the same accuracy that he or she can see it, causing minimal collateral damage and taking as short a time as possible.’ It’s taxing, even for the coolest surgeon.
If you’re doing a biopsy by hand, you can only hit a target 1cm across. A robot can hit a spot 3mm across
Patrick Finlay, MediMation
One type of neurosurgery where robots could be especially useful is a form of cancer therapy where magnetic nanoparticles are inserted into the tumour in a 3D grid pattern, 3mm apart. After the entire tumour has been seeded, the area is subjected to a radio-frequency pulse that heats up the nanoparticles, killing the cancer cells.
’Imagine having to place all those nanoparticles by hand,’ Finlay said. ’It would take hours… but that sort of precise, repetitive movement is meat and drink to a robot.’
Despite these advances, robot surgery remains unpopular in the UK. According to Jonathan Gilbert, a colorectal surgeon at Wexham Park Hospital in Slough, patients tend to shy away from it. ’If I tell them that I’m going to use a robot, they assume that means that the robot will be doing the work and I’ll be on a golf course,’ he said. ’And I don’t even play golf.’
In fact, Gilbert uses a robotic surgical assistant that holds and guides his laparoscope according to his head movements. ’It returns control of the visual field to the surgeon,’ he said. ’It means that I don’t have to worry about an assistant pointing the camera in the wrong place and I don’t have to give instructions.’
It seems that we don’t have to worry too much about surrendering control to a machine in the operating theatre, which may evolve in a similar way to a factory - from a space crowded with people all using hand tools to a quieter place using dedicated machines. However, the point is to play to strengths. The machines will do what they do best, but humans will remain firmly in control.
Back story
Through the keyhole
The Robocast project aims to create a robotic system that will enable precision neurosurgeryThe EU project Robocast brings together several robot surgery projects to build a system for keyhole neurosurgery.
Bringing together lightweight robot arms - derived from research for orbital operation - with biomimetic flexible probes, the project aims to combine the remote operation possibilities of da Vinci with machine-tool-like precision and repetition.
Among those involved are the universities of Verona, Siena, Munich, Jerusalem and Karlsruhe, along with Imperial College, the Israel Institute of Technology and Israeli robotics company Mazor, which specialises in compact surgical robots that can be mounted directly onto the patient’s body.
Imperial College’s soft-tissue intervention and neurosurgical guide (STING) probe, which mimics the egg-laying organ of a wood-boring wasp, is part of this project and is designed to be steered through a complex path inside the brain, avoiding vital structures to reach the point of interest.
The Robocast partners also aim to develop systems for haptic feedback - something currently lacking in surgical robots.
This could be used to guide the surgeon away from vital organs by constraining movement, or to allow the surgeon to feel through a remote manipulator, as if they were operating by hand. This extra sensation would assist in suturing, for example, which relies strongly on a sense of touch.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/content/in-depth/cutting-edge-the-rise-of-surgical-robots?
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