ITMI950597A1 - Applicazione di robot alla biopsia e relative apparecchiature - Google Patents

Abstract

Si descrive un metodo per effettuare biopsie a mezzo di una apparecchiatura automatica, in particolare a mezzo di un robot, caratterizzato dal fatto di prevedere le seguenti fasi:- ripresa di una immagine della lesione a mezzo di una sonda;- localizzazione della lesione sull'immagine fornita dalla sonda, da parte del medico;- individuazione delle coordinate della lesione rispetto alla sonda;- individuazione delle coordinate spaziali della sonda rispetto al sistema di riferimento del robot;- calcolo delle coordinate della lesione rispetto al sistema di riferimento del robot;- azionamento del robot ad effettuare il prelievo in automatico.

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: "APPLICAZIONE DI ROBOT ALLA BIOPSIA E RELATIVE APPARECCHIATO RE "

La presente invenzione propone un metodo per effettuare biopsie, anche a distanza, utilizzando un robot o apparecchiatura similare.

In particolare 1·invenzione riguarda un metodo che consente di effettuare prelievi bioptici senza la necessità dell'intervento continuo del medico, essendo sufficiente che questo determini, ad esempio su una immagine ecografica anche teletrasmessa, la lesione sulla quale intervenire, segnalandola alla macchina la quale è poi in grado di eseguire in automatico tutta l'operazione.

Il metodo secondo l'invenzione prevede di individuare la posizione della sonda mediante un sistema stereoscopico, applicando alla sonda tre LED infrarossi e leggendo la posizione di questi LED a mezzo di una coppia di telecamere disposte con una opportuna angolazione, cosi da rilevare le coordinate e l'orientamento nello spazio della sonda rispetto al sistema di riferimento del robot.

A questo punto essendo nota la posizione della lesione rispetto alla sonda e la posizione della sonda rispetto al robot, quest 'ultimo è in grado di portare l'ago sul punto e di penetrare poi fino alla profondità necessaria, per eseguire il prelievo in automatico.

Sono già note diverse applicazioni dei robot in campo medico, ad esempio per posizionare con precisione uno strumento chirurgico, oppure per manipolare a distanza uno strumento o una apparecchiatura diagnostica senza la necessità di esporre l'operatore a radiazioni o simili.

Ad esempio è nota una tecnica chirurgica stereotassica, usata per raggiungere formazioni situate in profondità, risparmiando le strutture soprastanti e riducendo al minimo le lesioni a loro carico.

Questa tecnica è particolarmente utilizzata in neurochirurgia, per eseguire biopsie, per introdurre elettrodi nel talamo per il trattamento di pazienti affetti da morbo di Parkinson, o per inserire isotopi radioattivi per il trattamento di tumori mediante l'utilizzo di tecniche robotizzate che consentono di operare sul cervello del paziente migliorando i risultati dell'operazione e riducendo i traumi relativi.

Questi interventi vengono eseguiti attraverso un foro praticato nel cranio del paziente, attraverso il quale il robot opera guidato da un chirurgo che osserva una ricostruzione tridimensionale dell organo ottenuta tramite risonanza magnetica nucleare (R.M.N.) e tomografia assiale computerizzata (T.A.C.).

La fase preoperatoria ha inizio con il fissaggio al cranio del paziente, attraverso quattro viti, di una struttura stereotassica la quale costituisce un sistema di riferimento solidale con la parte da analizzare, viene quindi eseguita un'angiografia, iniettando un liquido di contrasto in grado di evidenziare sulle immagini tomografiche i vasi sanguigni e dalle immagini ottenute attraverso due sistemi a raggi x tra loro ortogonali, si elabora una ricostruzione tridimensionale dell encefalo.

La ricostruzione 3D può anche avvenire a partire da immagini ottenute da tomografia assiale computerizzata (TAC) o da risonanza nucleare magnetica (RNM).

Una volta localizzata la zona da raggiungere, si pianifica la strategia operativa scegliendo la traiettoria che l ago dovrà seguire per raggiungere obiettivo senza ledere strutture anatomiche critiche o vasi sanguigni.

A questo punto ha inizio la fase operatoria nella quale il robot ha il compito di posizionarsi secondo la direzione necessaria per poter seguire la traiettoria prestabilita utilizzando come riferimento per la calibrazione la struttura stereotassica fissata sul paziente.

Sull'effettore del robot è montata ima guida per lo strumento chirurgico da utilizzare, che può essere l'ago per la biopsia o il supporto dell'elettrodo da inserire.

Una volta posizionato, il robot viene disattivato e lo strumento viene inserito manualmente dal chirurgo.

Un'altra applicazione nota di un robot riguarda la resezione transuretrale prostatica, intervento che avviene sotto controllo visivo.

Per questi interventi si usa un robot con un braccio montato su una struttura dotata di una guida circolare, la quale consente al bisturi montato all estremità del braccio di compiere una traiettoria circolare e di descrivere una superficie conica.

I risultati non sono stati però particolarmente incoraggianti.

E' anche noto un sistema robotizzato in grado di effettuare impianti ossei e infiltrazioni di cemento nelle vertebre in operazioni di chirurgia spinale.

Normalmente tali interventi vengono eseguiti incidendo la schiena del paziente in modo da rendere ben visibile tutta la parte posteriore della vertebra.

Una volta individuato il punto corretto si effettua l'inserzione, la perciò avviene sotto un angolo che è stato scelto a priori durante la fase diagnostica.

Il chirurgo deve perciò integrare mentalmente la geometria delle immagini preoperatorie con la visione diretta della scena, e non ha alcuna verifica in tempo reale della corretta orientazione dello strumento.

L'utilizzo di un robot per assistere l'esecuzione di tale intervento può invece consentire di riprodurre esattamente la strategia decisa in fase preoperatoria e quindi di inserire l'ago secondo l'inclinazione prestabilita, diminuendo i rischi per il paziente legati ad un'errata inserzione dell'ago.

Inoltre può permettere l'inserzione dello strumento attraverso la cute senza dover esporre le vertebre interessate, riducendo cosi l'invasività e il tempo d'esecuzione dell'operazione.

Nella fase preoperatoria il sistema esegue una ricostruzione tridimensionale delle vertebre basandosi sui dati ottenuti da una scansione tomografica.

Su queste immagini il chirurgo indica il punto da raggiungere e dal sistema ottiene una serie di traiettorie con le quali è possibile arrivarci, quindi seleziona quella ottimale.

Sull'estremità del robot è montato un emettitore a raggi laser il quale indica al chirurgo la direzione secondo la quale deve allineare lo strumento per poter eseguire correttamente l intervento .

Il robot posiziona correttamente nello spazio uno strumento che guida l'ago e l'inserzione di quest'ultimo viene eseguita manualmente dal chirurgo. Il brevetto WO 93/13916 descrive un sistema per controllare a distanza una coppia di manipolatori, in cui la zona di lavoro viene ripresa da differenti angolazioni a mezzo di una coppia di telecamere che forniscono una immagine stereoscopica virtuale su un piano posto in prossimità dei bracci di controllo della apparecchiatura .

L'immagine viene vista dall'operatore che guarda in direzione di questi bracci di controllo.

Questa configurazione dà all'operatore l'impressione che gli end effectors montati sul manipolatore e i bracci di controllo siano sostanzialmente in pezzo unico, rendendo cosi più intuitivi gli spostamenti. Il brevetto europeo 0 469 966 descrive un sistema per aiutare a posizionare uno strumento chirurgico in cui si identificano la posizione e l'orientamento della parte da trattare, si individua la posizione e l'orientamento dello strumento nello spazio e ì dati relativi sia alla posizione della parte da trattare che a quella dello strumento sono visualizzati su uno schermo per consentire al chirurgo, guardando questo monitor, di spostare lo strumento rispetto alla parte da trattare.

Tutte le procedure descritte, però, richiedono l'intervento diretto e continuo da parte del medico. In questo settore si inserisce ora la presente invenzione, che propone un metodo per effettuare biopsie a mezzo di un robot, senza la necessità dell'intervento continuo da parte del medico, il cui intervento è limitato alla individuazione su una immagine ad esempio ecografica, della lesione e all'immissione di dati corrispondenti nella macchina, la quale poi è in grado di eseguire in automatico tutto il ciclo di prelievo.

La presente invenzione sarà ora descritta dettagliatamente, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento alle figure allegate in cui:

- la figura 1 illlustra, schematicamente, un'apparato secondo l'invenzione, per eseguire biopsie tramite robot;

- la figura 2 è la vista laterale, schematica, del robot;

- la figura 3 è lo schema di flusso del programma di calcolo della posizione della sonda rispetto al sistema di riferimento del robot;

- la figura 4 illustra schematicamente il sistema di localizzazione della sonda ecografica;

- la figura 5 è una vista prospettica, schematica, del robot utilizzato per la applicazione;

- la figura 6 illustra la disposizione dei dispositivi che vengono applicati alla sonda per la lettura da parte delle telecamere dei LED di localizzazione della stessa;

- la figura 7 è lo schema di flusso del programma di controllo dei possibili errori di trasmissione fra il robot e l'apparecchiatura di controllo.

Il metodo secondo l'invenzione prevede l'utilizzazione di un robot, indicato nel suo complesso con 1 in figura 1, che aziona un ago per biopsie 2 ed al quale sono associati una sonda ecografica 3, un sistema di visualizzazione stereoscopica 4 ed un computer di controllo 5.

Queste apparecchiature, laddove necessario, saranno meglio descritte in seguito.

Il metodo secondo l'invenzione prevede:

• la ripresa di una immagine ecografica a mezzo della sonda 3;

• la localizzazione della lesione sull'immagine fornita dalla sonda, da parte del medico;

• l'individuazione delle coordinate della lesione rispetto alla sonda;

• l'individuazione delle coordinate spaziali della sonda rispetto al sistema di riferimento del robot a mezzo dell'apparecchiatura di ripresa stereoscopica; • il calcolo, a mezzo di opportuno algoritmo, delle coordinate della lesione rispetto al sistema di riferimento del robot;

• l'azionamento del robot ad effettuare il prelievo in automatico.

In sostanza il medico usa l'immagine ecografica per individuare le coordinate, rispetto alla sonda, del punto in cui effettuare la biopsia, dopo di che il programma riferisce le coordinate della sonda al sistema di riferimento del robot per ricavare la posizione nello spazio, rispetto a questo sistema di riferimento, del punto in cui eseguire il prelievo.

Una volta ottenute queste informazioni il programma è in grado di azionare la macchina ad effettuare tutte le operazioni senza la necessità di ulteriore intervento del medico, il quale si limita a controllare il regolare funzionamento del sistema.

Sono stati effettuati approfonditi studi per realizzare una apparecchiatura atta ad effettuare biopsie alla prostata e si è potuto rilevare che un buon compromesso fra funzionalità e facilità di programmazione si ottiene mediante l'utilizzazione di un robot a quattro gradi di libertà, ad esempio un robot del tipo SCARA, prodotto dalla IBM modello 7575.

Questa macchina comprende un braccio articolato a due snodi, alla cui estremità è montato il supporto di un end effector (fig.5).

Il braccio può muoversi su un piano orizzontale lungo gli assi X Y, mentre il supporto dell'end effector può scorrere lungo un asse verticale (asse Z) e, in aggiunta a questi movimenti lungo una tem a cartesiana, i quali individuano lo spazio di lavoro del manipolatore, il supporto dell'end effector può anche ruotare attorno al proprio asse.

L'area di lavoro è compresa entro due cerchi di raggio rispettivamente di 550 mm e di 222 mm ed ha un'altezza di 150 mm. Questo volume corrisponde allo spazio fisicamente raggiungibile dall'end effector.

Come sistema di localizzazione si è scelto un sistema di localizzazione stereoscopico, in quanto garantisce una localizzazione dei marker con errore sempre inferiore a 1,5 mm, non impone vincoli, se non i cavi di alimentazione dei LED ed è facilmente trasferibile su diverse applicazioni.

Nell'applicazione realizzata è previsto l'uso di un braccio meccanico per mantenere fissa la posizione della sonda, la quale viene poi localizzata con il telemetro. Tale sonda deve essere immobilizzata perché la procedura di localizzazione comporta un certo tempo di esecuzione (circa 25 sec.). In tale lasso di tempo vengono analizzate le immagini della sonda relative alle viste da sinistra e da destra.

Deve poi restare fissa per consentire il monitoraggio dell'introduzione dell' ago al fine di verificarne il corretto posizionamento. Inoltre la sonda deve restare fissa fino al termine dell'intervento, poiché se venisse spostata durante l'esecuzione, questa potrebbe far variare la posizione dell'obiettivo.

E' stata anche presa in considerazione la possibilità di utilizzare un braccio meccanico dotato di encoder per localizzare la sonda. Si è però preferito il telemetro in guanto un braccio meccanico potrebbe essere, in talune applicazioni, un vincolo non accettabile.

Per conoscere la posizione spaziale e 1' orientamento della sonda ecografica, si sono applicati su quest'ultima tre diodi LED in posizioni non linearmente dipendenti .

I tre LED vengono individuati da entrambe le telecamere stereoscopiche e le loro coordinate bidimensionali vengono poi gestite dal software del telemetro il quale restituisce le loro coordinate tridimensionali nel sistema di riferimento del robot. Queste coordinate vengono successivamente rielaborate per ottenere l'orientazione dello strumento.

Per questo scopo si usa una matrice di trasferimento, formata da tre parti:

1 - Parte rotazionale (R)

Matrice tre per tre, composta dai coseni direttori degli angoli formati dai sei assi dei due sistemi di riferimento (robot e sonda)

in cui Xll,Yll,Zll sono le coordinate del primo dei tre punti conosciuti nel sistema di riferimento robot X12 ,Y12,Zl2 quelle del secondo e X13,Y13,Z13 quelle del terzo ed Or ed Os rispettivamente l'origine del sistema di riferimento del robot e della sonda.

2 Parte traslazionale (T)

E' una matrice colonna di tre valori che trasportano Os nel punto Or (considerando solo movimenti traslazionali) .

Sia 'a' la distanza tra l'origine del sistema di riferimento robot e l origine del sistema di riferimento della sonda lungo l'asse Y mentre sia 'b' la distanza tra l'origine della sonda ed il punto Z13 lungo l'asse Z.

3- parte convenzionale (C)

essa é necessaria per compattare le matrici trovate in una unica matrice (4x4) appunto la matrice di tras ferimento

disposizioni possibili per i LED onde ottenerne una individuazione univoca, tale da evitare errori nel riconoscimento al cambiare della telecamera, la migliore soluzione consiste in una disposizione a T, come illustrato in figura 6.

Si potrebbe optare per una differente disposizione, accendendo un LED per volta, ma questa tecnica comporterebbe un aumento notevole del tempo di localizzazione.

La procedura utilizzata per riconoscere i LED e per ricavarne la posizione tridimensionale è la seguente: • inizialmente vengono spenti i LED e le lampade che illuminano l'area di lavoro;

• si esegue una scansione dell'immagine per verificare che non vi siano punti luminosi che possano interferire con il riconoscimento dei LED;

• vengono accesi i LED ed inizia la scansione dell'immagine fornita dalla telecamera di sinistra al fine di analizzare la luminosità dei singoli pixel; · trovato un pixel avente un valore di luminosità pari a quella caratteristica dei LED, si esegue, in un suo intorno, una seconda scansione per verificare che ci siano altri pixel aventi la stessa luminosità;

• se il numero di pixel trovati è superiore ad un numero prestabilito, allora si può affermare che questi corrispondono effettivamente ad uno dei LED e non ad un eventuale riflesso;

• stabilito che i pixel trovati corrispondono ad un LED, si calcola il baricentro dell'area luminosa da questi determinata. Le coordinate di questo punto vengono passate al telemetro;

• questa procedura di localizzazione del LED viene ripetuta per tre volte;

• una volta trovati i tre LED sull immagine di sinistra, viene visualizzata l'immagine fornita dalla telecamera di destra e si ripete la procedura;

• al termine di quest'operazione, il telemetro elabora le tre coppie di coordinate ottenute dalla scansione delle due immagini e restituisce le coordinate tridimensionali dei tre LED.

Nell'apparecchiatura secondo l'invenzione sono inoltre previsti dei sistemi di sicurezza, sia di tipo software, basati sull 'utilizzo di programmi che gestiscono la sensoristica e sono in grado di rilevare malfunzionamenti e di intervenire bloccando l'esecuzione dell' operazione, sia hardware, quali ad esempio un pulsante di emergenza sempre collegato all'alimentazione dei motori e non al controllo.

I sistemi hardware sono quelli classici presenti sui robot, e non necessitano perciò di ulteriore descrizione.

Per guanto riguarda, invece, la sicurezze relative all area di lavoro, in questo caso non sono applicabili le sicurezze classiche dei robot industriali che prevedono l'isolamento di tale area con barriere che ne circoscrivono lo spazio operazionale. Infatti in tale spazio è presente il paziente sul quale il robot deve agire.

Si è perciò limitata via software l'area di lavoro del robot in modo da limitarne i possibili movimenti alla sola zona necessaria per compiere l'intervento, come illustrato nel particolare di figura 5, in modo che lo spazio fisicamente raggiungibile dall'effettore del robot abbia la forma di un parallelepipedo di dimensioni opportune, che potranno facilmente essere determinate di volta in volta a seconda dell'organo sul quale intervenire. Inoltre in tale zona si prevede una opportuna riduzione della velocità di movimento.

Per una ulteriore sicurezza è infine previsto un sensore di forza, che monitorizza continuamente la forza esercitata dall'effettore lungo la direzione d'inserzione dell'ago.

Se vengono registrati dei valori di forza in istanti in cui non è previsto il contatto con oggetti, o se questa forza supera una prima soglia, viene azionato automaticamente lo stop software.

Questa procedura interrompe il movimento del robot e dà la possibilità all'utente di accertarsi della condizione venutasi a verificare.

L'utente ha poi la possibilità di far proseguire il movimento interrotto, di modificare la posizione assunta dal robot tramite un software di telemanipolazione, di riportare il robot nella posizione di partenza oppure di interrompere l'alimentazione dei motori che azionano le articolazioni .

Invece nel caso in cui la forza misurata dal sensore superi direttamente anche la seconda soglia, viene attivata automaticamente la procedura di stop hardware. Questa fa commutare lo stato di un relais il quale toglie l'alimentazione ai motori.

Una notevole importanza dal punto di vista della sicurezza riveste poi l'affidabilità della comunicazione fra la macchina e i dispositivi di controllo.

E' perciò previsto un feedback dalla stazione operativa a quella di controllo che manda un segnale di acknowledgement (ACK) quando il robot ha finito di eseguire il movimento comandato e, superato un TIMEOUT prestabilito senza segnale di ACK, abortisce il comando o invia segnali per problemi di comunicazione.

Il sistema di comunicazione è sincrono; infatti non viene inviata nessuna nuova istruzione senza avere prima ottenuto ACK (stop and wait).

Come apparirà chiaro dalla descrizione, il metodo e l 'apparato secondo l invenzione consentono di effettuare biopsie senza l intervento diretto del medico, e quindi senza la necessità della sua presenza in loco, essendo solamente necessario che questi localizzi la lesione su una immagine ecografica che può anche essere teletrasmessa, permettendo cosi, in caso di necessità, di effettuare il prelievo anche a distanza.

Un esperto del ramo potrà poi prevedere numerose modifiche e varianti, che dovranno però ritenersi tutte

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Un metodo per effettuare biopsie a mezzo di una apparecchiatura automatica, in particolare a mezzo di un robot, caratterizzato dal fatto di prevedere le seguenti fasi: • ripresa di una immagine della lesione a mezzo di una sonda; • localizzazione della lesione sull'immagine fornita dalla sonda, da parte del medico; · individuazione delle coordinate della lesione rispetto alla sonda; • individuazione delle coordinate spaziali della sonda rispetto al sistema di riferimento del robot; • calcolo, delle coordinate della lesione rispetto al sistema di riferimento del robot; • azionamento del robot ad effettuare il prelievo in automatico.
2. 2) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la sonda è una sonda ecografica.
3. 3) Metodo secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui l'individuazione delle coordinate spaziali della sonda rispetto al sistema di riferimento del robot è effettuata a mezzo di un sistema stereoscopico.
4. 4) Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui detti sistema stereoscopico comprende una coppia di telecamere che leggono da diverse angolazioni una terna di LED applicati alla sonda ecografica.
5. 5) Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui per l'individuazione delle coordinate della sonda: « si esegue una lettura dei LED a mezzo di una telecamera; • si calcola il baricentro dell'area luminosa da questi determinata; • si ripete la procedura con la seconda telecamera; · si elaborano le tre coppie di coordinate ottenute dalla scansione delle due immagini; • si rielaborano queste coordinate a mezzo di una matrice di trasferimento per ottenere l'orientamento della sonda.
6. 6) Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui la procedura utilizzata per riconoscere i LED prevede: • la scansione dell'immagine fornita da una prima telecamera, al fine di analizzare la luminosità dei singoli pixel; · trovato un pixel avente un valore di luminosità pari a quella caratteristica dei LED, una seconda scansione in un suo intorno per verificare che ci siano altri pixel aventi la stessa luminosità; • se il numero di pixel trovati è superiore ad un numero prestabilito, la acquisizione del dato come identificativo di un LED. • la ripetizione della procedura con la seconda telecamera.
7. 7) Metodo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere mezzi atti a limitare via software l'area di lavoro del robot in modo da limitarne i movimenti alla sola zona necessaria per 1<1>intervento. β) Apparato per effettuare biopsie a mezzo di una apparecchiatura automatica, in particolare a mezzo di un robot, caratterizzato dal fatto di comprendere: • mezzi per riprendere una immagine della lesione a mezzo di una sonda; • Mezzi per individuare le coordinate della lesione rispetto alla sonda; • mezzi per individuare le coordinate spaziali della sonda rispetto al sistema di riferimento del robot; • mezzi per calcolare le coordinate della lesione rispetto al sistema di riferimento del robot; · mezzi per azionare il robot ad effettuare il prelievo in automatico. 9) Apparato per effettuare biopsie secondo la rivendicazione 8, in cui detta sonda per la ripresa dell'immagine della lesione è una sonda ecografica. io) Apparato per effettuare biopsie secondo le rivendicazioni 8 e 9, in cui detti mezzi per individuare le coordinate spaziali della sonda sono costituiti da un sistema stereoscopico comprendente una coppia di telecamere che leggono da diverse angolazioni una terna di LED applicati alla sonda. 11) Apparato per effettuare biopsie secondo la rivendicazione 10, in cui detti LED hanno una disposizione a "T". 12) Apparato per effettuare biopsie secondo le rivendicazioni da 8 a 11, caratterizzato dal fatto di prevedere, sull'effettore del robot, un sensore di forza atto a generare un segnale di interruzione della procedura se viene rilevato un valore di forza superiore ad una soglia predeterminata. 13) Metodo per effettuare biopsie come descritto e illustrato. 14) Apparato per effettuare biopsie come descritto e illustrato.