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Articoli di approfondimento - Dr. Robot, chirurgo cerebrale

Ricercatori finanziati dall'UE hanno inventato un robot per aiutare i neurochirurghi a eseguire alcuni degli interventi più delicati e impegnativi che sono chiamati a compiere sul cervello umano. La ricerca, che coinvolgere anche la complessa interazione tra comandi precisi, sensori di feedback e intelligenza automatica, avrà anche un forte impatto sulla robotica per la medicina in generale.

Economia digitale

In teoria, i robot sono i candidati perfetti per assistere nella chirurgia cerebrale. Possono eseguire manovre estremamente precise, hanno una memoria prodigiosa e pensano velocemente. Naturalmente, non c'è neanche bisogno di asciugare il sudore dalla loro fronte. Potrebbero facilmente e rapidamente aumentare il numero degli interventi eseguiti nei centri medici. Se solo fosse così semplice. "Sviluppare un assistente chirurgo robotico è un compito estremamente impegnativo", dice Giancarlo Ferrigno, coordinatore del progetto Robocast ("Robot and sensors integration for computer assisted surgery and therapy"), finanziato dall'UE. "Il progetto deve funzionare tenendo conto di un gran numero di variabili e il processo richiede estrema precisione. Il margine di errore è minimo." Il progetto Robocast, che ha ricevuto 3,45 milioni di euro dall'UE del suo bilancio totale di 4,55 milioni di euro, si è concentrato su un compito particolarmente preciso, ovvero la neurochirurgia del buco della serratura robot-assistita, una tecnica eseguita attraverso un piccolo foro di trapano nel cranio. Questo tipo di chirurgia è usato in molti interventi al cervello. In endoscopia, i chirurghi utilizzano un buco della serratura per inserire una telecamera per esaminare direttamente parti di organi, mentre la biopsia preleva campioni di tessuto sospetto attraverso il buco della serratura. La tecnica può essere utilizzata per piazzare gli aghi per il prelievo di sangue e fluidi, nonché per l'ablazione criogenica e elettrolitica, che rimuovono il tessuto con il freddo estremo o la corrente elettrica diretta. La brachiterapia inserisce una fonte di radiazioni nei pressi del sito da trattare, mentre la stimolazione cerebrale profonda (DBS) consente di installare un pacemaker cerebrale. Queste tecniche hanno permesso notivoli progressi nel trattamento di tumori, idrocefalo (una patologia in cui si accumula liquido nel cervello), distonia (un disturbo neurologico del movimento), tremore essenziale, morbo di Parkinson, sindrome di Tourette, depressione clinica, dolore dell'arto fantasma, cefalea a grappolo e anche epilessia. Si tratta di un campo enorme in espansione, ma anche uno dei più esigenti. Richiede grande intelligenza, eccezionale destrezza e autocontrollo. "Oggi le procedure di neurochirurgia sono davvero al limite delle capacità umane, solo le nuove tecnologie possono permettere ai chirurghi di superare se stessi", spiega il dottor Ferrigno. "Le funzioni vitali come i sensi, il movimento, la parola e la memoria possono nascondersi all'interno del tessuto cerebrale, che è spesso solo pochi decimi di millimetro e la cui lesione può causare danni permanenti." Lo sviluppo di un assistente robotico affidabile, sicuro ed efficace potrebbe potenzialmente migliorare la sicurezza e aumenterebbe il numero di operazioni che possono essere eseguite. Questo sarà ancora più importante nei prossimi 20 anni, con il rapido invecchiamento della popolazione e l'aumento dell'incidenza di disturbi cerebrali in Europa. Intelligenza meccatronica Il team Robocast ha sviluppato sia software che hardware. Nell'ambito della robotica l'hardware è chiamato meccatronica perché è costituito da parti meccaniche e circuiti elettronici. Mentre la meccatronica rappresenta il corpo e il sistema nervoso di un robot, il software fornisce l'intelligenza. Il sistema completo era costituito da una interfaccia uomo-computer, con un meccanismo di comunicazione intelligente sensibile al contesto e uno di controllo tattile, o force feedback. Vi era un'unità a robot multipli, un pianificatore di traiettoria autonoma, un controllore di alto livello e una serie di sensori di campo. La fase meccatronica del progetto ha sviluppato un sistema modulare con due robot e una sonda bio-mimetica attiva, garantendo un ingombro minimo. I sistemi bio-mimetici usano modelli biologici per ispirare la progettazione. I tre elementi cooperano in un quadro senso-motorio integrato per agire come una singola unità. Il primo robot può posizionare il suo compagno robot in miniatura attraverso sei "gradi di libertà" (Degrees of freedom, DOF). I gradi di libertà definiscono le direzioni in cui un oggetto può spostarsi in uno spazio tridimensionale e sei DOF rappresentano la più completa gamma di movimento. In termini reali, sei DOF significano che il robot riesce a compiere tre movimenti lineari, ovvero su e giù, da sinistra a destra e indietro e in avanti; ha anche i tre movimenti di rotazione per l'inclinazione in avanti e indietro, da un lato e dall'altro, o di girare a destra e a sinistra. Il robot è in grado di combinare questi movimenti contemporaneamente per posizionare il suo compagno in qualsiasi punto nello spazio 3D. Riesce anche a mettere il compagno robot in miniatura in qualsiasi punto in una sala operatoria. Il robot in miniatura tiene poi la sonda che deve essere introdotta attraverso il buco della serratura. Tracciatori ottici seguono l'estremità della sonda e il paziente. Il robot riesce a controllare sia la posizione che la forza applicata utilizzando una combinazione di sensori. I ricercatori Robocast hanno anche sviluppato il lato intelligente del robot in modo che sia in grado di definire la traiettoria dell'implementazione chirurgica, una parte di vitale importanza di questo lavoro. La gente prende la traiettoria per scontata, ma essa è un problema molto difficile nel campo della robotica. Il nostro cervello esegue istintivamente il calcolo complesso necessario per localizzare gli oggetti nello spazio tridimensionale, questo calcolo avviene mentre l'oggetto è in movimento, letteralmente "al volo", in tempo reale. Quando una palla viene lanciata verso di noi, la maggior parte delle volte la afferriamo. Questo è però un processo estremamente complicato. Robocast ha sviluppato un sistema di controllo che può fornire in maniera autonoma la pianificazione dei percorsi, sia all'interno che all'esterno del corpo del paziente, analizzando le informazioni diagnostiche preoperatorie. Il percorso all'interno del cervello è progettato sulla base di un "atlante dei rischi". L'atlante riproduce una rappresentazione confusa del cervello che collega le strutture del cervello ad un "livello di pericolo". La tolleranza deriva dalla variabilità intrinseca delle persone, definendo il livello di rischio da molto alto a molto basso. Costruire l'atlante dipende dall'apprendimento cognitivo, e il sistema può fornire al chirurgo spiegazione per ogni azione suggerita. Il robot è in grado di aggiornare il piano in maniera semi-autonoma per adattarsi a qualsiasi imprevisto si verifichi durante l'intervento chirurgico. Questi aggiornamenti si basano su informazioni raccolte ed elaborate durante l'operazione utilizzando tecnologie quali l'imaging a ultrasuoni. Il chirurgo, ovviamente, mantiene il controllo e la responsabilità generale dell'operazione, e può specificare eventuali ulteriori vincoli al pianificatore di percorso. In questo modo, il piano di percorso finale all'interno e all'esterno del corpo nasce dall'interazione tra il chirurgo e il cuore intelligente del sistema. L'interfaccia tra il sistema e l'utente richiede un'interazione minima, ma fornisce tutte le informazioni necessarie utilizzando un design intuitivo che utilizza un'interpretazione dei comandi del chirurgo basata sul contesto. In una dimostrazione a febbraio 2011, il team Robocast ha mostrato il robot in azione mentre eseguiva un intervento su un manichino in sala operatoria. La tecnologia funziona e sono stati raggiunti tutti gli obiettivi del progetto. Ora deve essere perfezionata e convalidata per l'utilizzo in un ambiente di sala operatoria reale. "Il progetto è stato estremamente impegnativo, in particolare per quanto riguarda l'integrazione del lavoro di scienziati dislocati in Europa e Israele," osserva il dott. Ferrigno. "Era come gestire un'orchestra di solisti di altissima qualità. Abbiamo superato questo ostacolo grazie al coordinamento e alla collaborazione di tutti i partner. Abbiamo anche scambiato ricercatori tra gli istituti per settimane, e questo ha aiutato molto." Ora un progetto di follow-up, denominato ACTIVE, compiera ricerche sulla neurochirurgia robotica per pazienti che devono rimanere svegli durante la chirurgia. La sonda bio-mimetica ha anche ricevuto finanziamenti dal Consiglio europeo della ricerca (CER) per l'ulteriori sviluppi, mentre il pianificatore di percorso è già usato nella pratica clinica. Si tratta di un importante progresso nell'ingegneria robotica e, grazie a Robocast, tra non molto tempo nei centri medici potremo rivolgerci al chirurgo cerebrale Dr. Robot. Il progetto Robocast ha ricevuto finanziamenti di ricerca nell'ambito del sottoprogramma "Sistemi cognitivi, interazione e robotica" del Settimo programma quadro (7° PQ) dell'UE. Link utili: - Robot and sensors integration for computer assisted surgery and therapy - Record dei dati del progetto Robocast su CORDIS Articoli correlati: - Mano robotica resa più naturale - Roadmap for robot helpers - Real-life robots obey Asimov's laws