Chirurgia robotica minimamente invasiva: stato dell’arte e progetto di un video-laparoscopio stereo

Capitolo 1
INTRODUZIONE
La tesi qui esposta propone un nuovo endoscopio per interventi chirurgici mini-
mamente invasivi; vediamo innanzitutto che cos’e` la chirurgia minimamente inva-
siva (Paragrafo 1.1) e successivamente come abbiamo organizzato il nostro lavoro
(Paragrafo 1.2).
1.1 Chirurgia minimamente invasiva
Negli ultimi dieci anni si sono sviluppate nuove tecniche di chirurgia avanzata che
hanno permesso di aumentare la probabilita` di riuscita dell’operazione e di migliorare
la qualita` di vita del paziente dopo l’intervento. Infatti, una semplice appendicite puo`
essere attualmente risolta con un breve intervento ambulatoriale, senza creare alcun
tipo di disagio al paziente [1].
Le prime operazioni chirurgiche erano spesso accompagnate da un’eccessiva per-
dita di sangue e da gravi infezioni dovute alla grandezza dei tagli effettuati e alle
scarse misure di sterilizzazione degli strumenti. Nelle operazioni tradizionali il bisturi
taglia la cute, la sottocute e i muscoli per una lunghezza che spesso e` di molti centi-
metri; l’incisione viene poi allargata provocando uno stress per l’organismo che puo`
addirittura deprimere le sue capacita` immunitarie. Nel migliore dei casi, comunque,
il paziente ha forti dolori anche molti giorni dopo l’intervento e ci possono essere
problemi nel riacquisire rapidamente la piena funzionalita`. Anche dal punto di vista
1
Capitolo 1: INTRODUZIONE 2
(a) schema MIS (b) MIS (c) chirurgia “open”
Figura 1.1: chirurgia minimamente invasiva vs. chirurgia tradizionale.
estetico esistono dei problemi, infatti un intervento lascia sempre il segno sulla pelle,
con cicatrici molto estese che durano molti anni o accompagnano tutta la vita del
paziente.
Un enorme miglioramento e` stato conseguito con l’introduzione della chirurgia
minimamente invasiva (MIS ) agli inizi degli anni Ottanta.
In alternativa alle tecniche convenzionali della chirurgia classica (Figura 1.1), l’a-
rea dell’operazione e` raggiunta attraverso alcuni piccoli fori: due sono utilizzati dal
chirurgo per l’inserimento degli strumenti di lavoro, uno per l’endoscopio che permet-
te di vedere il campo operatorio ed eventualmente un quarto per un altro strumento o
per fornire CO2 (Figura 1.2) in modo da gonfiare la zona interessata, evitando la for-
mazione di pieghe dei tessuti. Gli anglosassoni la chiamano keyhole surgery, chirurgia
del buco della serratura, infatti il chirurgo utilizza tubicini con diametro massimo di
12 millimetri attraverso cui passano tutti gli strumenti, che possono essere bisturi,
forbici, pinze anatomiche e chirurgiche, porta aghi o divaricatori. Solitamente il chi-
rurgo ne impugna due con le mani, come se fossero il prolungamento delle sue braccia,
e comunica all’assistente come muovere l’endoscopio, guardando in un monitor quello
che sta facendo.
Con la chirurgia minimamente invasiva, gli aspetti negativi degli interventi tradi-
zionali sono eliminati, o perlomeno attutiti. Lo dimostrano i dati relativi a una delle
operazioni piu` frequenti nelle sale operatorie italiane, l’asportazione della colecisti [2].
Il sistema tradizionale richiede quattro o cinque giorni di ricovero e due o tre setti-
Capitolo 1: INTRODUZIONE 3
Figura 1.2: chirurgia minimamente invasiva.
mane di convalescenza. Se invece del bisturi si usano telecamere e sonde il tempo
di ricovero si riduce a 24 ore e si puo` riprendere la piena efficienza fisica dopo una
settimana.
La contrazione dei tempi si traduce in un notevole risparmio economico per la
struttura ospedaliera, anche se le nuove tecniche richiedono l’investimento di molto
denaro.
Pur presentando chiari vantaggi, la chirurgia minimamente invasiva non ha pro-
dotto una risposta adeguata dal personale medico, come sperato. La ragione di questo
risiede nel fatto che ai benefici apportati al paziente, si contrappone il disagio creato
al chirurgo, che si trova di fronte a problemi di “orientamento” dovuti a una scarsa
visione delle strutture anatomiche interessate. A questo si aggiunge il problema del
movimento degli strumenti che sono costretti a ruotare intorno al proprio punto di
inserimento (trocar point), restringendo il numero di gradi di liberta` e provocando un
movimento contrario della mano del chirurgo (vedere Figura 1.3). Inoltre il tremore
fisiologico della mano e` notevolmente amplificato dalla lunghezza dello strumento e il
ridotto feedback tattile e visivo si traduce in un rapido affaticamento del medico.
Per circoscrivere alcuni inconvenienti della chirurgia minimamente invasiva, agli
Capitolo 1: INTRODUZIONE 4
Figura 1.3: movimenti possibili dello strumento.
inizi degli anni Novanta sono state introdotte tecnologie basate su robot. La chirurgia
robotica inizialmente e` stata sviluppata per scopi militari, in modo da rendere possibile
lo svolgimento di complicati interventi chirurgici a distanza da parte di un chirurgo
situato in un luogo sicuro.
Molti grandi chirurghi si chiedevano perche´ mai avrebbero dovuto operare guar-
dando un monitor e non il paziente, gestendo delle sonde lunghe decine di centi-
metri invece di toccare con mano la parte malata. Dopo un decennio gli interventi
mini-invasivi robotizzati sono diventati una realta`, anzi rappresentano il futuro della
chirurgia.
Un sistema completo per chirurgia robotica minimamente invasiva e` formato so-
litamente da tre elementi (Figura 1.4), ma esistono apparecchiature tra loro molto
differenti, sia nelle dimensioni, sia nel modo di lavorare.
1. Master
E` lo spazio di lavoro del chirurgo, chiamato anche interfaccia utente. E` dotato
di un apparato video, che consente la visione del campo operatorio, una consolle
formata da pulsanti, pedali e joystick, che permette al chirurgo di muovere gli
strumenti, e una sofisticata architettura hardware/software che elimina il tre-
more delle mani e scala adeguatamente il loro movimento, facilitando il compito
del chirurgo e aumentando la sicurezza. Il feedback sensoriale e` molto impor-
Capitolo 1: INTRODUZIONE 5
Figura 1.4: robot chirurgico; la figura mostra da sinistra l’unita` master, la slave e
quella di comunicazione.
tante, quindi il sistema puo` essere dotato di un visore stereo e/o di un ritorno
di forza sui comandi.
2. Slave
E` l’unita` posizionata vicino al paziente, chiamata anche attuatore; si divide
principalmente in due elementi: i bracci del robot e gli strumenti chirurgici
che sono sostituibili anche durante l’operazione. Il sistema e` comandato dai
gesti che compie il chirurgo sull’unita` di controllo. Gli strumenti terminali sono
dotati di una mobilita` elevata, con gli stessi gradi di liberta` delle mani, mentre
la cinematica dei bracci considera la limitazione causata dal trocar.
3. Comunicazione
Sono necessarie delle workstation di calcolo e delle connessioni a larga banda
per poter trasferire una grande quantita` di dati tra l’unita` master e quella slave
e viceversa. Per ovvi motivi il sistema necessita di un ritardo nullo (o molto
basso), altrimenti potrebbero verificarsi seri danni al paziente.
Nel periodo attuale l’utilizzo della chirurgia robotica e` limitato solamente a pochi
centri specializzati, dato l’elevato costo delle apparecchiature, ma si ritiene che nei
prossimi anni ci sara` uno sviluppo sempre maggiore che portera` verso una chirurgia
Capitolo 1: INTRODUZIONE 6
piu` veloce e sicura, facendo ridurre i costi da una parte e diminuendo le complicazioni
postoperatorie dall’altra.
1.2 Struttura della tesi
Data l’importanza della chirurgia robotica minimamente invasiva, abbiamo deciso
di progettare un laparoscopio che permetta al chirurgo di osservare l’interno del corpo
del paziente nel miglior modo possibile, evitando qualsiasi disagio.
Il Capitolo 2 descrive i principali robot chirurgici attualmente utilizzati, mentre il
Capitolo 3 analizza in dettaglio gli endoscopi diagnostici e chirurgici, con particolare
attenzione alle recenti innovazioni introdotte in questo campo. Siccome abbiamo in-
tenzione di progettare un video-laparoscopio stereo, il Capitolo 4 spiega le differenze
tra la visione stereoscopica umana e quella artificiale, ponendo l’attenzione sui sistemi
che meglio consentono di percepire la sensazione di profondita`. Il Capitolo 5 mostra
l’architettura del laparoscopio, fornendo uno schema generale delle caratteristiche e
dei requisiti che il nuovo dispositivo deve soddisfare. Il Capitolo 6 definisce i moduli
che compongono il braccio robotico che sostiene e muove la parte finale del laparosco-
pio. Il Capitolo 7 descrive in dettaglio questo modulo finale contenente le telecamere,
valutando diverse alternative di progetto e proponendo alcune soluzioni che migliora-
no le caratteristiche dell’endoscopio. Infine il Capitolo 8 esprime alcune valutazioni
sul lavoro svolto e propone interessanti sviluppi futuri per migliorare ulteriormente il
laparoscopio.
Capitolo 2
SISTEMI ROBOTICI
Questo capitolo e` dedicato ad una descrizione dei sistemi robotici utilizzati in
chirurgia minimamente invasiva [1, 3, 4, 5, 6, 7, 8]. Sono analizzati anche alcuni
sistemi in fase di sviluppo o realizzati come prototipo, con particolare attenzione a
dispositivi dotati di endoscopio (vedere Capitolo 3).
Esistono tre grandi aree per le quali si sono differenziati altrettanti sistemi per
chirurgia robotica:
1. Chirurgia ortopedica
2. Neurochirurgia
3. Laparoscopia e Toracoscopia
Analizzeremo piu` in dettaglio il settore laparoscopico, in cui l’endoscopia chirurgica
ha trovato la sua massima espressione.
2.1 Chirurgia ortopedica
Le operazioni all’anca e al ginocchio sono probabilmente le piu` praticate in questo
settore, senza dimenticare altre articolazioni quali spalla e caviglia o interventi di
riduzione delle fratture ossee. Le azioni che si compiono maggiormente sono forare e
fresare le ossa, quindi i robot dedicati devono generare vibrazioni e forze molto grandi.
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Capitolo 2: SISTEMI ROBOTICI 8
(a) ROBODOC (b) CASPAR (c) Masor
Figura 2.1: robot per chirurgia ortopedica.
2.1.1 ROBODOC
Sviluppato da Integrated Surgical Systems, ROBODOC e` formato da una work-
station per la pianificazione, dal robot che esegue l’operazione (Figura 2.1(a)), e da
una workstation di controllo. Viene usato per la sostituzione dell’anca in moltissimi
centri specializzati di tutto il mondo.
2.1.2 CASPAR
CASPAR (Figura 2.1(b)) e` un sistema simile al precedente, sviluppato da Univer-
sal Robotic Systems di OrtoMaquet, che permette l’impiantazione di protesi del ginoc-
chio in modo completamente automatico. Al chirurgo spetta il compito di pianificare
l’operazione e di “assistere” il robot durante l’intervento.
2.1.3 Masor
Il robot e` prodotto da Masor Robotics, ma e` stato sviluppato dall’Israel Institu-
te of Technology; ha il compito di assistere il chirurgo guidando in modo preciso il
posizionamento degli strumenti secondo un piano pre-operatorio basato su immagini.
Al contrario dei precedenti, Masor e` molto piccolo (Figura 2.1(c)) e puo` essere attac-
Capitolo 2: SISTEMI ROBOTICI 9
(a) NeuroMate (b) PathFinder
Figura 2.2: robot per neurochirurgia.
cato direttamente all’osso interessato; per questo e` considerato un sitema chirurgico
parzialmente autonomo.
2.2 Neurochirurgia
E` stata la prima applicazione clinica della robotica e continua ad essere un campo
di grande interesse. Gli interventi al cervello sono ovviamente i piu` delicati; occorre
pertanto un’elevata precisione spaziale per raggiungere la zona di interesse, minimiz-
zando i danni alle zone circostanti. Lo spazio di lavoro e` limitatissimo ma non si
devono applicare forze molto grandi, quindi gli strumenti sono sottili. Per quanto
riguarda la visione, non si inserisce alcun tipo di sonda, ma e` possibile solamente
pianificare l’intervento a priori, con tecniche di imaging radiografico.
2.2.1 NeuroMate
Sviluppato dal centro di ricerca di Grenoble University Hospital, NeuroMate (Fi-
gura 2.2(a)) e` attualmente commercializzato da Integrated Surgical Systems. Le
applicazioni cliniche di questo robot includono:
Capitolo 2: SISTEMI ROBOTICI 10
• Biopsie tumorali
• Indagini stereo-elettroencefalografiche in pazienti con epilessia
• Neurochirurgia del ganglio della base
L’intera procedura consiste in una prima parte di acquisizione dei dati attraverso
un software che legge le TAC e le risonanze magnetiche, una seconda parte di pia-
nificazione, effettuata dal medico, seguita dal trasferimento dei dati al computer di
controllo e infine l’operazione vera e propria a cura del robot.
2.2.2 PathFinder
PathFinder si caratterizza per una maggiore automazione rispetto al precedente; il
robot (Figura 2.2(b)) e` prodotto da Armstrong Healthcare Ltd. Le immagini prodotte
da TAC e RMN sono analizzate direttamente dalla workstation di pianificazione e
non e` necessario inserire manualmente le coordinate di scansione. La posizione del
paziente e` monitorata da una telecamera e un apposito software confronta l’immagine
ottenuta con i dati precedentemente analizzati, in modo da guidare gli end-effectors
con risoluzione sub-millimetrica, anche nel caso di piccoli spostamenti della testa del
paziente.
2.3 Laparoscopia e Toracoscopia
Fanno parte di questa categoria tutti gli interventi al torace e alla parte addo-
minale, in particolare al cuore (per esempio l’applicazione di bypass alle coronarie),
allo stomaco, al fegato, all’intestino e altre applicazioni di urologia, quali interventi
alla prostata. Lo spazio di lavoro e` molto vasto e si incontrano tessuti di vario tipo,
quindi gli “end-effectors” utilizzati sono parecchi e di dimensioni molto differenti.
La chirurgia toraco-addominale e` sicuramente il settore in cui si ha la maggiore
necessita` di una buona visione, ed e` per questo che proprio nei sistemi sviluppati per
interventi laparoscopici troviamo endoscopi molto piu` precisi e sistemi di visualizza-
zione all’avanguardia. Pensiamo per esempio ad una operazione al cuore: e` impor-
Capitolo 2: SISTEMI ROBOTICI 11
(a) unita` master (b) unita` slave
Figura 2.3: robot da Vinci.
tantissimo dare al chirurgo la possibilta` di distinguere bene i vari tessuti, le arterie e
le strutture interne per evitare complicazioni gravissime.
2.3.1 da Vinci
Prodotto da Intuitive Surgical Inc., da Vinci e` sicuramente il piu` famoso e il
piu` utilizzato. E` formato dalla consolle di comando, dalla quale partono tutte le
disposizioni impartite dal medico, dal carrello chirurgico, che include gli strumenti
per l’operazione, e dal carrello per l’elaborazione delle immagini.
• Consolle di comando (Figura 2.3(a))
Il chirurgo opera seduto con la testa rivolta verso il basso, guardando dentro
uno speciale visore, collegato all’endoscopio, che riproduce il campo operatorio;
in questo modo viene conservata la direzione dell’asse testa-mani, caratteristica
di un intervento di tipo classico. Appena sotto troviamo due manipolatori che
trasmettono i movimenti del chirurgo al robot, fino alla punta degli strumenti
Capitolo 2: SISTEMI ROBOTICI 12
finali (Figura 2.4). Il visore tridimensionale proietta le due immagini ottenute
dallo stereo-endoscopio direttamente all’occhio destro e sinistro del chirurgo,
creando una sensazione di profondita`. Sul pavimento e` presente una speciale
pedana con alcuni pedali: uno serve per spostare l’endoscopio attraverso il
movimento di un manipolatore e l’altro serve per riposizionare i manipolatori,
senza muovere i bracci del robot. Altri pedali servono per regolare il fuoco del
visore e per cambiare la scala dei movimenti dei manipolatori.
• Robot chirurgico (Figura 2.3(b))
Il carrello chirurgico e` posto di fianco al tavolo operatorio sul quale giace il
paziente, in prossimita` della zona da operare. Il robot possiede quattro brac-
ci, tre per gli strumenti connessi ad appositi trocar (di solito se ne utilizzano
solo due alla volta) e uno per l’endoscopio connesso ad un trocar standard di
12 mm. Ogni braccio possiede sette gradi di liberta`, due dei quali sono riferi-
ti all’estremita`, su cui e` montato l’end-effector; in questo modo sono possibili
tutti i movimenti nello spazio, senza porre limitazioni all’abilita` del chirurgo.
Esistono molti tipi di strumenti, facilmente intercambiabili, che si adattano a
qualsiasi tessuto e necessita`: tagliare, suturare e manipolare. Il tremore umano
fisiologico non e` trasmesso agli strumenti, ma e` tagliato da un filtro a 6 Hz
direttamente nella consolle di comando. L’endoscopio e` posizionato al centro
rispetto ai bracci operativi e puo` essere mosso con quattro gradi di liberta`; cosi
come i bracci chirurgici, esso e` progettato in modo da avere un punto fisso di
rotazione.
• Carrello video
Contiene tutti i dispositivi tipici per interventi laparoscopici, compresi un insuf-
flatore, una sorgente di luce per l’endoscopio, dei sincronizzatori e dei controllori
per il braccio della telecamera. Sulla parte superiore e` posto un monitor che
visualizza al resto dell’equipe (chirurgo di tavolo e assistenti) lo svolgimento
dell’intervento.
Capitolo 2: SISTEMI ROBOTICI 13
Figura 2.4: manipolatori (in basso) e strumenti finali (in alto) di da Vinci.
Il da Vinci costa all’incirca 1.2 milioni di dollari e richiede circa 100 mila dollari
all’anno per la manutenzione. In Italia, un intervento con questo sistema costa 3500
euro in piu` rispetto all’intervento tradizionale, ed e` interamente a carico del paziente.
2.3.2 Zeus
E` un sistema del tutto analogo al da Vinci, fabbricato da Computer Motion Inc.
Si basa sul medesimo principio di funzionamento, ma rispetto al sistema precedente,
lo Zeus puo` essere dotato di braccio robotico a comando vocale, l’AESOP (vedere Pa-
ragrafo 3.2.1), che movimenta il braccio endoscopico durante l’intervento, attraverso
gli ordini impartiti direttamente dal chirurgo.
L’unita` slave (Figura 2.5(b)) consiste in tre bracci robotici, due per gli strumenti
chirurgici (5 mm di diametro) e uno per l’endoscopio (10 mm), ed e` posizionata
direttamente sul tavolo operatorio, intorno al paziente. Ogni braccio ha quattro
gradi di liberta` e possono essere utilizzati differenti end-effector fissi o con un grado
di liberta`.
Seduto davanti alla consolle (Figura 2.5(a)), il chirurgo aziona i due manipolatori;
anche in questo sistema il movimento e` opportunamente filtrato, scalato e trasferito
Capitolo 2: SISTEMI ROBOTICI 14
(a) unita` master (b) unita` slave
Figura 2.5: robot Zeus.
al computer di controllo che si occupa di muovere i bracci del robot. Davanti a se´,
il chirurgo trova un monitor sul quale vede il sito dell’operazione, ovviamente senza
percepire informazioni di profondita`.
Il sistema e` stato utilizzato il 7 settembre 2001 per eseguire il primo intervento
chirurgico remoto transatlantico (New York, Strasburgo); attualmente Zeus non esiste
piu`, in quanto la Computer Motion Inc. e` stata rilevata da Intuitive Surgical Inc. nel
2003, ma continua ad essere utilizzato in molti ospedali. Il valore del robot e` di oltre
100 mila dollari.
2.4 Altri campi
Esistono alcuni sistemi robotici che operano in settori differenti, come ad esempio
la chirurgia maxillo-facciale, la radiochirurgia e l’oftalmologia.