Robot serpenti per interventi chirurgici senza cicatrici / Snake robots for scar-free surgery
Robot serpenti per interventi chirurgici senza cicatrici / Snake robots for scar-free surgery
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Serpenti e vesciche: i robot sviluppati nel Regno Unito stanno aiutando a realizzare il potenziale senza cicatrici della chirurgia degli orifizi naturali
Tra tutti i settori in cui l'ingegneria e la tecnologia stanno influenzando la medicina, la chirurgia è probabilmente quello in cui ha il potenziale per apportare i maggiori cambiamenti. Nuove tecniche di imaging e strumenti migliorati aiutano i chirurghi a identificare le regioni da operare ed a supportare il loro complesso lavoro.
I chirurghi robot, sebbene il nome sia poco appropriato, sono in prima linea in uno dei più grandi cambiamenti tecnologici. Anziché eseguire interventi chirurgici senza l'intervento umano, come suggerisce il nome, si tratta di dispositivi azionati a distanza che consentono ai chirurghi di operare attraverso piccole incisioni, anziché attraverso i grandi fori necessari nella chirurgia convenzionale, per vedere cosa stanno facendo. Questo riduce le dimensioni delle ferite e quindi le cicatrici, e riduce i tempi di recupero.
Una forma particolarmente sorprendente di chirurgia a distanza promette la possibilità di eliminare completamente le cicatrici. Nota come NOTES (Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery), la tecnica sfrutta i fori già presenti nel corpo come punti di accesso per l'intervento chirurgico. Invece di praticare un'incisione all'esterno del corpo, il chirurgo entra attraverso la bocca, il retto o la vagina, pratica un'incisione attraverso la parete dell'orifizio (questa è la parte "transluminale" dell'acronimo) e poi si insinua per raggiungere l'organo bersaglio. Il risultato è nessuna cicatrice visibile e nessuna complicazione correlata all'incisione.
“La flessibilità è essenziale per proteggere le delicate parti interne del corpo al momento dell’inserimento”
TIM FRANCOIS, OC ROBOTICS
Ma questo non è possibile senza l'assistenza robotica. Sebbene gli endoscopi siano ormai comunemente utilizzati per vedere all'interno del corpo attraverso orifizi naturali, non hanno la mobilità necessaria per navigare con la precisione richiesta da NOTES, e la loro struttura meccanica, sebbene adatta al montaggio di una telecamera passiva, non è adatta come supporto per strumenti chirurgici; questi devono essere montati su una piattaforma stabile, che non si muova quando gli strumenti premono contro i tessuti o li tagliano.
Le prime procedure NOTES sono state eseguite nel 2007 e la tecnica è stata sviluppata in tutto il mondo, con la rimozione di appendici, reni e cistifellea. Ad oggi, gli interventi NOTES hanno utilizzato endoscopi convenzionali, sebbene adattati, e hanno ottenuto un certo successo: nel Regno Unito, la tecnica è stata utilizzata per interventi chirurgici alla cistifellea su pazienti di sesso femminile. Tuttavia, per sviluppare ulteriormente la tecnica, sono necessari strumenti dedicati; in particolare, il robot che trasporta gli strumenti all'interno del corpo.
Due gruppi del Regno Unito stanno attualmente lavorando su robot per NOTES. All'Imperial College di Londra, un gruppo dei dipartimenti di chirurgia, informatica e ingegneria biomedica, finanziato dal Wellcome Trust, sta lavorando su iSnake, un robot chirurgico ed un dispositivo di imaging combinati. Nel frattempo, OC Robotics, con sede a Bristol, sta sviluppando i suoi robot con braccio a serpente, utilizzati come manipolatori a distanza in aree pericolose, per lavorare all'interno del corpo umano, con il supporto di una sovvenzione del Technology Strategy Board.
Nessuna delle due macchine è in alcun modo un "chirurgo robot". Sono tubi cavi in cui i chirurghi possono inserire gli strumenti chirurgici per eseguire l'intervento. Tuttavia, costituiscono un collegamento vitale eD automatizzato con il mondo esterno, consentendo all'équipe chirurgica di accedere agli organi bersaglio dall'interno del corpo e formando uno scudo per proteggere i tessuti attraverso cui passano da eventuali danni.
"iSnake sta per "sensore di imaging guidato e cinematicamente migliorato"", ha spiegato il Prof. Guang-Hong Yang del laboratorio di meccatronica dell'Hamlyn Centre dell'Imperial College. "Utilizziamo l'imaging e la sensoristica in modo che possa visualizzare il tessuto che tocca e vedere dove sta andando".
Il dispositivo è un robot articolato semovente, largo circa un centimetro e lungo dai 20 ai 60 cm, a seconda dell'operazione per cui viene utilizzato. Il suo sistema di controllo consente all'operatore di manipolare tutte le articolazioni simultaneamente, portando la testa portastrumenti del robot dove deve andare senza doversi preoccupare del resto del robot dietro di essa. "Non vogliamo rendere tutto automatico", ha affermato Valentina Vitellio, ingegnere robotica medica.
"Tuttavia, mentre il chirurgo esegue la procedura, dobbiamo assicurarci che il resto del corpo articolato non stia causando danni ai tessuti."
Per fare ciò, il robot dispone di uno "spazio di lavoro limitato" preimpostato, un'area all'interno della quale può lavorare in sicurezza, ma non può muoversi all'esterno. Questo spazio può essere reimpostato durante l'operazione, per guidarne i movimenti e controllare la quantità di forza che può esercitare sui tessuti che tocca.
Il GRUPPO di iSnake, con il suo robot progettato su misura e dotato di sensori, ritiene di poter sviluppare sistemi in grado di eseguire complesse operazioni di bypass coronarico multicamera e di esplorare gli angoli più nascosti dell'apparato digerente.
Per OC Robotics, il controllo remoto tramite robot tubolari flessibili è il pane quotidiano: l'azienda vanta 10 anni di esperienza nella progettazione di robot con bracci a serpente per ambienti pericolosi. Tuttavia, per quanto vincolati e pericolosi, l'ambiente progettato, ingegnerizzato e dalle superfici dure di un reattore nucleare è molto diverso dall'interno viscido, in continuo collasso e pericolosamente delicato del corpo umano.
Il robot ha uno "spazio di lavoro limitato" preimpostato, ovvero un'area all'interno della quale può lavorare in sicurezza, ma non può muoversi all'esterno
Il robot che OC Robotics sta sviluppando utilizza la stessa tecnologia dei suoi attuali robot a braccio di serpente: i collegamenti lungo il suo corpo flessibile sono azionati da cavi, con tutti i motori e l'elettronica situati all'esterno del braccio. Questo gli consente di lavorare in due modalità: flessibile, per l'inserimento, ma rigido e orientabile, in modo che il chirurgo abbia una piattaforma stabile da cui lavorare una volta che la testa del serpente ha raggiunto il suo obiettivo. "La flessibilità è essenziale per proteggere le delicate parti interne del corpo durante l'inserimento, ma la rigidità è necessaria per reagire alle forze sulla punta", ha spiegato Tim Francois di OC Robotics. "Il controllo che abbiamo sul braccio di serpente ci consente anche di effettuare curve di 180°, consentendoci di navigare o raggiungere una serie di siti all'interno della cavità addominale".
OC ha anche sviluppato un ambiente simulato del corpo umano, per l'azionamento virtuale di un braccio di serpente simulato. Sta sviluppando la tecnologia in modo che gli organi interni da praticamente qualsiasi parte del corpo possano essere rimossi tramite la bocca; attualmente, la tecnica viene utilizzata più spesso per via transvaginale, ma ovviamente questa è adatta solo alla metà dei potenziali pazienti.
Per Rob Buckingham, responsabile di OC Robotics, lo sviluppo è ancora in una fase iniziale. "La chirurgia è forse il mercato più ampio per i robot in grado di operare in spazi ristretti, e probabilmente il più complesso; ciò significa che necessita di consenso e sviluppo", ha dichiarato a The Engineer.
Tuttavia, ritiene che l'esperienza di OC nel settore offra all'azienda un vantaggio. "Ciò di cui i chirurghi hanno bisogno è una tecnologia sufficientemente matura per raccogliere dati e sostenere la tecnica, sulla base dei risultati per i pazienti e del risparmio sui costi".
ENGLISH
Snakes and bladders: UK-developed robots are helping realise the scar-free potential of natural orifice surgery
Of all the areas where engineering and technology is affecting medicine, surgery is probably the one where it has the potential to make the biggest changes. New imaging techniques and improved instruments help surgeons to identify the regions where they must operate and assist their intricate work.
Robot surgeons, although poorly named, are at the forefront of one of the biggest technology-led changes. Rather than carrying out surgery without human intervention, as the name implies, they are remotely operated devices that allow surgeons to work through small incisions, rather than the large holes needed in conventional surgery for surgeons to see what they are doing. This reduces the size of wounds and therefore scarring, and reduces the time needed for recovery.
One particularly striking form of remote surgery promises the possibility of doing away with scars altogether. Known as NOTES (Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery), the technique takes advantage of the holes that are already in the body as access points for surgery. Rather than making an incision in the outside of the body, the surgeon goes in via the mouth, rectum or vagina, makes an incision through the wall of the orifice (this is the ’transluminal’ part of the acronym) and then burrows through to reach the target organ. The result is no visible scar and no incision-related complications.
“Pliability is essential to protect the delicate internals of the body upon insertion”
TIM FRANCOIS, OC ROBOTICS
But there’s no way this can be done without robotic assistance. While endoscopes are now commonly used to see inside the body via natural orifices, they don’t have the mobility necessary to navigate as precisely as NOTES requires, and their mechanical structure, although fine for mounting a passive camera on to, isn’t suitable as a mount for surgical instruments; these need to be mounted on a firm platform, which doesn’t move when the instruments press against or cut into tissues.
The first NOTES procedures were carried out in 2007 and the technique has been developed around the world, with appendixes, kidneys and gallbladders being removed. To date, NOTES operations have used conventional, although adapted, endoscopes, and have had some success: in the UK, the technique has been used for gallbladder surgery on female patients. However, to develop the technique further, dedicated instruments are needed; in particular, the robot that takes the instruments inside the body.
Two UK teams are currently working on robots for NOTES. At Imperial College London, a team from the departments of surgery, computing and biomedical engineering, funded by the Wellcome Trust, is working on iSnake, a combined surgical robot and imaging device. Meanwhile, Bristol-based OC Robotics is developing its snake-arm robots, which are used as remote manipulators in hazardous areas, to work within the human body, aided by a grant from the Technology Strategy Board.
Neither machine is, in any way, a ’robot surgeon’. They are hollow tubes into which surgeons can insert surgical tools to perform surgery. However, they form a vital, automated link to the outside world, providing the surgical team with access to their target organs from inside the body and forming a shield to protect the tissues through which they pass from damage.
’iSnake stands for “imaging sensor navigated and kinematically enhanced”,’ explained Prof Guang-Hong Yang of the mechatronics laboratory of Imperial College’s Hamlyn Centre. ’We use imaging and sensing so that it can view the tissue it’s touching and can see where it’s going.’
The device is a self-propelled articulated robot, about a centimetre wide and from 20-60cm long, depending on the operation it is used for. Its control system allows the operator to manipulate all of its joints simultaneously, taking the instrument-carrying head of the robot where it needs to go without having to worry about the rest of the robot behind it. ’We don’t want to make the whole thing automatic,’ said medical robotics engineer Valentina Vitellio.
’However, while the surgeon is carrying out the procedure, we need to make sure that the rest of the articulated body is not causing tissue damage.’
To do this, the robot has a pre-set ’limited workspace’ - an area within which it can work safely, but cannot move outside. This can be reset during the operation, to guide its movements and control the amount of force it can exert on the tissues it is touching.
The iSnake team, with its sensor-equipped, custom-designed robot, believes it can develop systems capable of carrying out complex multi-chamber coronary bypass operations and exploring the nooks and crannies of the alimentary system.
For OC Robotics, remote operation using a flexible tubular robot is its bread and butter: it has 10 years of experience in designing snake-arm robots for hazardous environments. But however constrained and dangerous, the designed, engineered, hard-surfaced environment of a nuclear power reactor is very different from the squishy, constantly collapsing and perilously delicate interior of the human body.
The robot has a pre-set ’limited workspace’ - an area within which it can work safely, but cannot move outside
The robot that OC Robotics is developing uses identical technology to its existing snake-arm robots: the links along its flexible body are cable-actuated, with all the motors and electronics located outside the arm. This allows it to work in two modes: flexible, for insertion, but stiff and steerable, so that the surgeon has a stable platform from which to work once the snake’s head has reached its target. ’Pliability is essential to protect the delicate internals of the body upon insertion, but rigidity is required to react to forces at the tip,’ explained Tim Francois of OC Robotics. ’The control we have over the snake-arm also means that we can do 180º bends, enabling us to navigate or reach a range of sites inside the abdominal cavity.’
OC has also developed a simulated human-body environment, for virtual operation of a simulated snake arm. It is developing the technology so that internal organs from virtually anywhere within the body can be removed via the mouth; currently, the technique is used most often transvaginally, but obviously this is only suitable for half of the potential patients.
For OC Robotics chief Rob Buckingham, the development is at a very early stage. ’Surgery is perhaps the largest market for robots that can operate in confined spaces, and probably the most complex; that is, it needs consensus and development,’ he told The Engineer.
However, he believes that OC’s experience in the area gives the company a head start. ’What the surgeons need is adequately mature technology in order to collect data and make the case for the technique, based on patient outcomes and cost savings.’
Snake-shaped robots may be new, but the technique they’re using is not
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