ITCS20100006A1 - Nuova strumentazione per utilizzare il navi-robot per il controllo e la movimentazione micrometrica di strumentazione laparoscopica e per la guida alle biopsie sia eco-guidate che sotto fluoroscopia - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO:

Nuova strumentazione per utilizzare il Navi-Robot per il controllo e la movimentazione micrometrica di strumentazione laparoscopica e per la guida alle biopsie sia eco-guidate che sotto fluoroscopia.

Descrizione generale del campo di intervento dell’invenzione.

Il Navi-Robot è stato inizialmente concepito per l’utilizzo in sala operatoria di ortopedia. Tuttavia la sua struttura a tre bracci auto bilanciati ben si adatta ad una serie di altre applicazioni biomediche, prima delle quali la riduzione dell’irraggiamento sia per i pazienti, che, sopra tutto, per i medici. Ad esempio il Navi-Robot si presta all’utilizzo come riduttore di fratture in realtà aumentata, come illustrato nel Brevetto EP0977514, o per guidare l’asportazione di un osteoma osteoide sulla base di due sole fluoroscopie, o per guidare l’inserimento di una vite distale in un chiodo endo -midollare. A tal fine è necessario utilizzare le metodologie della stereofotogrammetria insieme ad uno speciale end-effector che funga da guida per il trapano, e che rechi, nello stesso tempo, 4 sferette radiopache in posizione nota. Ma proprio questa applicazione ha fornito l’idea di utilizzare il Navi-Robot anche per la guida delle biopsie sia sotto fluoroscopia che utilizzando un ecografo, come verrà illustrato nel seguito. D’altra parte nel 2005 era stato presento un PCT poi trasformatosi nella domanda di brevetto europeo EP 05778903.4 dal titolo “Sistema Robotizzato di controllo e movimentazione micrometrica di un endoscopio”, sistema che ben si adatta ad essere applicato ai bracci laterali del Navi-Robot, mentre il braccio centrale, in modalità attiva, può guidare la telecamera muovendola secondo le richieste dell’operatore. A tal fine la struttura del Navi-Robot, è stata modificata rispetto al brevetto EP1276518, sia nel vincolo prismatico per la movimentazione verticale, sostituito da un più semplice quadrilatero, che per lo spostamento dell’asse del sesto giunto in modo che il suo asse incontri in un punto quelli del quarto e quinto giunto, si da realizzare un giunto sferico, con il vantaggio che, se l’ultimo link è bilanciato rispetto al suo asse, l’intera struttura diviene pienamente auto bilanciata, che infine con l’introduzione di un vincolo passivo convertibile in attivo per il sesto giunto dei bracci laterali, sicché il sistema di controllo dello strumento operatore necessita di un grado di libertà in meno di quanto previsto precedentemente nel caso di applicazione alla laparoscopia. Ma è stata trovata anche una nuova forma per il meccanismo preposto al posizionamento ed attuazione dello strumentario tradizionale, che semplifica enormemente la gestione dello stesso. Infine, proprio per superare le limitazioni dello strumentario tradizionale rispetto a quello utilizzabile con il da Vinci (US 6,206,901, US 6,246,200, US 6,312,435, etc), massima espressione della robotica laparoscopica, si è studiato anche un nuovo strumento pluriuso che consente le stesse movimentazioni dello strumentario monouso del da Vinci. Ciò consente l’applicazione del Navi-Robot senza limitazioni alla Chirurgia Mini - Invasiva, con tutti i vantaggi che ciò consente, senza contare la possibilità di utilizzare anche strumentario di piccolissimo diametro, cosa impossibile con il da Vinci, ampliando quindi enormemente le possibilità di applicazione di un’apparecchiatura già di per se estremamente versatile.

Descrizione della realizzazione preferita.

Cominciamo con le modifiche strutturali al Navi-Robot inteso come strumento base. Come già accennato, due sono le modifiche strutturali rispetto a quanto già brevettato, l’utilizzo del quadrilatero articolato in sostituzione del giunto prismatico prima previsto, e lo spostamento dell’asse del sesto giunto in modo da realizzare una cerniera sferica. In particolare le Tavola uno presenta il confronto tra la vecchia configurazione del sistema (1a) e quella del nuovo (1b). Naturalmente tutto il sistema potrebbe essere gestito sia da motori passo passo, com’è attualmente, che da altri tipi di motori. Ulteriore modifica generale, l’introduzione del giunto attivo/passivo sul sesto giunto dei bracci laterali. Poi, sempre in tema generale, l’end effector di guida alla perforazione ed inserimento di vite o ago, che, connettendosi all’end effector intermedio del braccio centrale permette l’introduzione in direzione e posizione prestabilita di ciò che si desidera. Tale particolare end effector (vedi Tav. 2) deve essere anche munito di un certo numero di sferette radiopache, in modo da permettere l’identificazione della posizione rispetto al campo di visuale di un fluoroscopio. Naturalmente al fine di quanto sopra, il fluoroscopio stesso deve essere preventivamente calibrato, in modo da determinarne i parametri intrinseci. Per quanto riguarda il funzionamento del sistema, l’idea è che si prendano due immagini in cui si vede sia la regione da cui si deve prelevare il campione bioptico che l’end effector, la cui posizione deve rimanere immutata durante il rilievo delle immagini, e contemporaneamente si colleghi il fluoroscopio ad uno dei bracci passivi del Navi-Robot. Fatto ciò è possibile, marcando col mouse tale zona e cliccando sulle sferette su ogni fluoroscopia, tramite i principi della stereofotogrammetria, calcolare sia la posizione iniziale dell’end effector rispetto alla zona di interesse, che la posizione che questo deve assumere per fare un prelievo bioptico di precisione. Ed a questo punto il braccio centrale, che conosce la sua posizione rispetto alla struttura del Robot, si sposta nella posizione necessaria e permette il rilievo bioptico di precisione. Ma come in precedenza accennato, il sistema permette tale rilievo anche accoppiato ad un ecografo. In questo caso infatti la sonda ecografica deve essere collegata direttamente al Navi-Robot come end effector. Il medico deve quindi, grazie all’auto-bilanciamento del sistema, provvedere a rilevare l’ecografia come di consueto, collegando però l’ecografo anche al PC del Navi Robot, che automaticamente associa le informazioni dell’ecografo a quelle di posizione, permettendo quindi di ottenere una specie di TAC ecografica ad irraggiamento nullo. A questo punto, dopo che il medico ha indicato anche in questo caso sullo schermo la regione da cui effettuare il prelievo, e poiché il Navi-Robot conosce attraverso una precedente calibrazione, sia la geometria della sonda che quella dell’end effector, è possibile calcolare la nuova posizione che il Navi-Robot deve assumere con il suo end effector di guida bioptica e concludere l’operazione.

Passando invece all’applicazione laparoscopica, il sistema è sostanzialmente composto da tre elementi base, un sistema di posizionamento, un sistema di controllo fine di posizione e di attuazione dello strumento laparoscopico tradizionale, ed una consolle di comando. Ovviamente il sistema di posizionamento è il Navi-Robot di cui abbiamo discusso precedentemente, con le relative modifiche rispetto al sistema di cui al brevetto EP1276518. Una volta fissato a questo il sistema di controllo fine ed attuazione, il medico potrà portare liberamente lo strumento, che è caratterizzato dal sistema di autobilanciamento passivo, in prossimità della zona di lavoro, collegare l'apparecchiatura robotizzata allo strumentario endoscopico, già posizionato, e bloccare il braccio o richiedere l'intervento del modo Robot per il braccio centrale, del cui attuatore finale parleremo in seguito, e sarà immediatamente pronto alla fase operatoria. Questa la configurazione base di ognuno dei due bracci laterali, mentre per quello centrale si rimanda a un punto successivo, anche se può essere usato il braccio centrale convenzionale del Navi-Robot. Infine, due eventuali bracci ausiliari potrebbero avere sia una configurazione auto bilanciata ma bloccabile, come i bracci laterali, ma senza sistema di misura, che essere addirittura dei veri bracci attivi / passivi.

Per quanto riguarda il sistema di controllo dello strumento operatore, si tratta di un ulteriore sistema a quattro gradi di libertà (GDL) compreso l’attuatore, mentre un primo GDL è fornito dall’ultimo giunto motorizzato del braccio del Navi-Robot. Questa cerniera motorizzata, insieme al primo GDL del sistema di controllo che agisce sul quadrilatero articolato di Tavola 3, permette di ruotare lo strumento operatore lungo due assi perpendicolari allo strumento intorno al punto di inserzione dello strumento nella cute del paziente. Un ulteriore grado di libertà permette di controllare lo spostamento assiale (la penetrazione) dello strumento operatore rispetto alla camicia, mentre un terzo grado di libertà controlla la rotazione dello stesso sempre rispetto alla camicia. Il quarto grado di libertà sarà infine dedicato all'attuazione dello strumento operatore, pinza, sgorbia o forbice che sia. Tutto ciò è illustrato in Tavola 3, ove con 1, 2, 3 e 4 sono identificati i vari gradi di libertà del sistema di controllo. In particolare si noti come, a differenza di quanto precedentemente proposto, il sistema di controllo del primo grado di libertà sia basato sull’utilizzo di un doppio parallelogramma articolato, che permette al punto in cui si incrociano gli assi della prima cerniera rotoidale (quella del sesto giunto del Navi-Robot) con l’asse che passa per i centri delle cerniere del terzo elemento orientabile (a) del parallelogramma, di restare fisso anche inclinando le barre inizialmente verticali. Montando quindi lo strumento endoscopico e relativa slitta, che permette di variarne la penetrazione, inclinato rispetto all’asse del terzo elemento verticale del doppio parallelogramma e passante per detto punto intersezione tra assi, si ottiene l’invariabilità del punto di penetrazione nel tessuto del paziente.

Infine i sistemi di avanzamento assiale e di taglio saranno provvisti di sensori di forza in grado di valutare le forze resistenti nei vari movimenti in modo da fornire all'operatore un’indicazione su eventuali problematiche. Tali indicazioni potrebbero essere sia di forza che a colonna luminosa di altezza variabile, in modo da essere chiaramente percepibili. Naturalmente è possibile usare, per ridondanza, anche ambedue i metodi di rappresentazione contemporaneamente.

La successiva Tavola 4 mostra un possibile kit di movimentazione robotizzata di uno strumento endoscopico esistente. Notiamo che la ruota inferiore (1), solidale all'asta dello strumento, ne permette la rotazione di 360° intorno al proprio asse. Contemporaneamente la ruota superiore, se ruotata di un angolo diverso da quella inferiore, attiva l'apertura e chiusura dello strumento, attraverso una seconda coppia di ruote dentate coniche che comanda due membri vincolati da un asse parallelo alla ruota conica condotta, ed alla cui estremità viene vincolato l’elemento di comando manuale dell’azionamento dello strumento operatore, in modo che l’insieme strumento-kit funzioni come un quadrilatero articolato. La successiva Tavola 5 mostra invece come il kit sopra citato sia azionato tramite altre due ruote a denti diritti poste lateralmente al gruppo, ed attivate da due ulteriori coppie di ruote coniche, a loro volta azionate dai motori.

Il sistema di controllo della movimentazione, conoscendo la posizione reciproca sia degli strumenti operatori che della telecamera endoscopica, farà poi in modo che l'operatore possa, muovendo lateralmente il joy-stick, ottenere sempre un movimento di variazione di profondità, e quindi nella direzione dei osservazione, e viceversa muovendolo avanti e indietro, possa ottenere movimenti a profondità costante, semplificando quindi le operazioni, mentre il sistema provvederà in automatico a modulare l’utilizzo dei due motori dei primi due GDL. Si noti anche che l'intero gruppo di controllo deve essere sterilizzabile, essendo comandato da motori posti sugli ultimi membri del robot e comandati tramite alberi essi pure sterili, mentre tra motore e telaio saranno posti sensori di forza che permetteranno la registrazione delle forze trasmesse dal sistema.

Passando invece al braccio centrale, che deve reggere l’endoscopio e relativa/e telecamera/e per applicazioni laparoscopiche, si deve rimuovere il quinto link e quanto vi è connesso, e si sostituisce con un nuovo link orizzontale bloccato al precedente che porta all’altra estremità solo il supporto dell’endoscopio montato all’uscita di un giunto di cardano dotato di encoder sugli assi della crociera, e la cui base può essere ruotata dall’attuatore del quarto giunto del Navi-Robot tramite una semplice cinghia. In tal modo i tre GDL permettono di muovere nello spazio il punto di ancoraggio superiore dell’endoscopio, mentre la cute fornisce un ulteriore punto di ancoraggio / scorrimento, ed il quarto attuatore permette di ruotare la telecamera, il tutto controllato via pedali dall’operatore. La Tavola 6 mostra l’intera geometria del braccio centrale così ottenuto. Tuttavia, come accennato prima, si è anche progettato un nuovo strumento pluriuso per laparoscopia, in gradi di inclinare gli elementi di taglio o presa fino a 90° e in due direzioni, in modo da permettere tutti quei movimenti fino ad ora concessi solo dal da Vinci.

Tavola 7 mostra appunto tale strumento e relativo sistema di attuazione, su cui devono agire ben quattro motori indipendenti, montati su una nuova slitta che si sostituisce a quella per strumentario tradizionale. Cominciamo a esaminare la punta dello strumento stesso. Come si vede, i due elementi della pinza/forbice si aprono in modo simmetrico, e ciò grazie all’uso di cinque ruote dentate, di cui la 1 e 3 calettate sullo stesso asse. Inoltre l’interasse 1-2 e 3-5 è lo stesso, mentre la ruota 4, oziosa, serve ad invertire il moto, ed infine gli elementi di taglio o presa sono solidali alle ruote 2 e 5.

Ora il movimento alla ruota 1 è fornito dalla ruota 6, che, come si nota ha una parte a denti diritti ed una conica, a sua volta attuata dalla ruota 7, settore di ruota conica. In parallelo un altro settore di ruota conica, la 8, agisce sulla parte conica della ruota 9, che con la sua parte cilindrica, comanda invece la ruota 10, solidale invece al telaietto che regge le ruote 1-5.

Ruotando quindi la sola ruota 6 di 20° si ottiene l’apertura del forcipe in configurazione rettilinea con un’apertura di 40°, ruotando nella stessa direzione e quantità le ruote 6 e 9, si ottiene la configurazione d a forcipe chiuso, ruotando ulteriormente la ruota 6 il forcipe si apre anche se inclinato a 90° e nella direzione della curvatura stessa. La ruota 6 è attuata dalla ruota 11 della configurazione e, mentre la 12 agisce sulla 10. Per ottenere infine la configurazione b bisogna agire contemporaneamente su tutte e tre le ruote da 11 a 13, e girando ulteriormente la 11 si ottiene l’apertura del forcipe, in direzione però perpendicolare alla curvatura stessa. La trasmissione del moto tra le ruote di testa e quelle di fondo avviene attraverso microbielle. Infine il tutto viene azionato attraverso ruote dentate, poste in parallelo all’asse dello strumento, che vengono azionate tramite rinvii conici ed alberi da motori posti sulla slitta, come evidenziato in tavola 8e.

Claims (6)

1. Rivendicazioni. 1) Sistema robotizzato di controllo e movimentazione di strumentazione endoscopica convenzionale composto da più bracci robotizzati a 6 gradi di libertà (GDL), da un sistema di movimentazione di ogni strumento endoscopico operatore tradizionale ad almeno 4 GDL il cui ultimo è preposto all’attuazione dello strumento operatore, la cui parte terminale è interamente sterilizzabile, da un sistema di collegamento ed adattamento dello strumentario esistente al sistema di movimentazione, anche sterilizzabile, da un sistema di controllo in real time della movimentazione sia dello strumento operatore che dei bracci ausiliari attuabile da un unico operatore, essendo previsto in alternativa anche un nuovo strumento pluriuso in grado di ruotare di 90° la testa dello strumento in modo da poter aprire le lame della forbice in ogni possibile direzione, essendo in tal caso previsto l’utilizzo di un nuovo sistema di movimentazione a 6 GDL, i cui movimenti sono comunque sempre controllati dal sistema di guida e controllo, e da un sistema di rilevamento delle forze agenti e relativa riproduzione.
2. 2) In particolare il sistema di cui alla rivendicazione 1 potrebbe essere dotato di bracci robotizzati che potrebbero essere del tipo autobilanciante bloccabile su richiesta di cui almeno uno capace di funzionare di seguito in modo Robot.
3. 3) In particolare il sistema di movimentazione di ogni strumento endoscopico operatore ad almeno 4 GDL con parte terminale interamente sterilizzabile di cui alla rivendicazione 1 dovrebbe permettere la rotazione dello strumento lungo due assi perpendicolari allo strumento stesso, la rotazione a 360° dello strumento nella sua camicia, la movimentazione assiale rispetto alla camicia stessa, e l'attuazione dello strumento stesso, ed essere basato sull’utilizzo di un doppio parallelogramma articolato che reca sulla terza barra parallela alle prime due una slitta inclinata di un certo angolo in modo da lasciare alla manopola di attuazione dello strumento operatore lo spazio per essere attuata, facendo altresì in modo che lo strumento stesso entri nel ventre del paziente esattamente nel punto in cui si incrociano l’asse della prima cerniera con l’asse che congiunge i centri di rotazione della terza barra.
4. 4) In particolare il braccio di supporto della telecamera dovrebbe essere in grado di essere ri-diretto dal medico in modo da permettere eventuali correzioni alla direzione di visione, agendo da robot, ma preservando la posizione del foro di ingresso nella cute.
5. 5) Sistema robotizzato di controllo e movimentazione di strumentazione endoscopica come da rivendicazione 1 in cui il braccio centrale sia modificato eliminando i due ultimi gradi di libertà del braccio centrale del Navi-Robot, prolungando il terzo link e collegando il quarto giunto con una cinghia di trasmissione ad un braccio centrale che sostiene il sistema video attraverso un giunto di cardano dotato di encoder angolare sui suoi assi, in modo da determinare la direzione di osservazione.
6. 6) Sistema robotizzato di controllo e movimentazione di strumentazione endoscopica come da rivendicazione 1 in cui lo strumento operatore sia a tre GDL, di cui uno dedicato all’apertura simmetrica dello strumento ed altri due capaci di inclinare di 90° la testa dello strumento in due direzioni mutuamente perpendicolari tramite un sistema di rinvii conici e tre successivi stadi di ruote dentate a denti diritti, di cui l’ultimo dedicato all’apertura simmetrica delle lame dalla forbice o del forcipe, tramite la messa in parallelo di due e di tre ruote dentate, mentre in parallelo un’altra ruota permette di ruotare la testa di 90°, mentre il primo stadio permette la rotazione della testa in una direzione sempre di 90°, ma perpendicolare al precedente.