RICERCA ITALIANA     

Sviluppo di metodiche e approcci endovascolari per la diagnosi e la cura della patologia cerebrovascolare, ed esplorazione di nuove tecniche per l'esecuzione di interventi chirurgici a bassissima invasività con l'ausilio della guida robotica.

Scuola Superiore di Studi Universitari e Perfezionamento S. Anna di Pisa

Abstract

Le tecniche di chirurgia e di terapia minimamente invasiva, nonché l'approccio endovascolare per la prevenzione e la cura delle patologie cerebrovascolari stanno acquisendo un'importanza sempre maggiore a livello clinico. D'altra parte, i settori della microendoscopia (che mira alla diagnosi ed alla terapia in modo minimamente invasivo) e dell'interventistica mininvasiva offrono ancora ampie prospettive sia per la ricerca di base che per lo sviluppo e la sperimentazione clinica.
Il progetto si rivolge allo studio delle metodiche, delle tecnologie e dei materiali utilizzabili per lo sviluppo di sistemi innovativi per l'esecuzione di interventi endovascolari e a bassa invasività. Nell'ambito di questa proposta, l'attenzione agli approcci mininvasi percutanei è duplice, comprendendo sia quello endovascolare che quello laparoscopico.
Il progetto si articolerà in due parti. La prima comprenderà una ricerca di base ad ampio spettro su metodologie e tecnologie trasversali di interesse comune per interventi endovascolari e a bassa invasività: uso avanzato delle immagini per la guida degli interventi; progettazione di meccanismi ad elevata destrezza, precisi e miniaturizzati per la guida e l'esecuzione robotica di interventi chirurgici mininvasivi; tecnologie di microfabbricazione; analisi dei metodi di localizzazione e posizionamento di microsonde o strumentario chirurgico mininvasivo; analisi delle potenzialità dell'impiego di sistemi laser nella prevenzione della ristenosi e nell'esecuzione di particolari interventi per via laparoscopica; studio della possibilità di caratterizzazione delle placche aterosclerotiche con ecografia ad altissima frequenza; studio dell'interfaccia operatore/strumentazione.
La seconda parte del progetto riguarderà lo sviluppo e la valutazione di laboratorio di due dimostratori che utilizzano e integrano le conoscenze acquisite nella prima parte: un dispositivo per l'esecuzione di interventi di diagnosi e trattamento di patologie cerebrovascolari; e un dispositivo robotico come ausilio clinico nell'esecuzione di interventi di chirurgia mininvasiva. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

PAOLO DARIO, Scuola Sup. di Studi Univ. e Perfezionamento S.Anna di PISA

Obiettivo del Finanziamento

Le tecniche di chirurgia e di terapia minimamente invasive, nonché l'approccio endovascolare per la diagnosi e la cura della patologie cerebrovascolari stanno acquisendo un'importanza sempre maggiore a livello clinico. D'altra parte, i settori della microendoscopia (che mira alla diagnosi ed alla terapia in modo minimamente invasivo) e dell'interventistica mininvasiva offrono ancora ampie prospettive sia per la ricerca di base che per lo sviluppo e alla sperimentazione clinica.
Il progetto ha per obiettivo lo studio delle metodiche, delle tecnologie e dei materiali utilizzabili per lo sviluppo di sistemi innovativi per l'esecuzione di interventi endovascolari e a bassa invasività.

Da un attento esame dell'evoluzione tecnologica e delle procedure chirurgiche di ultima generazione si evince una comune tendenza alla conquista del "sempre più piccolo". Se tale concetto in ambito medico-chirurgico viene tradotto con il termine di "mininvasività", in ambito ingegneristico viene tradotto con il termine "miniaturizzazione".
Prendendo in considerazione il settore della chirurgia esplorativa ed interventistica endovascolare e considerando le metodiche già acquisite ed in corso di sviluppo, risulta estremamente stimolante provare ad immaginare quale potrebbe essere uno scenario clinico-chirurgico futuro ma realistico. Sulla base delle tendenze attuali mirate alla conquista del "micromondo" si può prevedere che la strumentazione chirurgica tradizionale sarà integrata, ed in alcuni casi sostituita, da sistemi di piccolissime dimensioni dotati di un elevato grado di intelligenza, di destrezza, di nuove potenzialità diagnostiche e terapeutiche ed in grado di muoversi in maniera controllata all'interno del corpo umano (Figura 1 e 2). L'accesso al corpo del paziente avverrà attraverso aperture naturali o microincisioni cutanee, ed i vasi saranno utilizzati come percorsi preferenziali per il raggiungimento del sito desiderato. Ambienti virtuali realizzati a partire da immagini pre- ed intra-operatorie verranno utilizzati per la pianificazione delle traiettorie, e la loro integrazione con sistemi di localizzazione consentirà la navigazione autonoma, o guidata dal chirurgo, per il raggiungimento del punto esatto da esplorare o su cui intervenire. Individuato il sito esatto, si passerà alla fase interventistica mininvasiva (es. la rimozione di placche coronariche e carotidee) praticata con nuove procedure terapeutiche (es. terapie laser, ecografiche, ultrasoniche etc.) o consistente in interventi veri e propri eseguiti per mezzo di manipolatori robotici di piccolissime dimensioni. Il tutto potrà essere svolto sotto la guida del chirurgo, che potrà teleoperare il sistema e impartire istruzioni, o in alcuni casi anche in maniera autonoma.

Figura 1: La chirurgia endovascolare del futuro (Toshiba Corp., Giappone)

Figura 2: La chirurgia mininvasiva del futuro (SRI in Menlo Park, California)


Sebbene lo scenario fin qui presentato possa risultare ambizioso allo stato attuale, lo stesso si poteva dire 10 anni fa dello scenario che oggi vede impegnati nella pratica chirurgica (anche nel nostro paese) robot autonomi (ROBODOC e CASPAR prodotti rispettivamente dalla Integrated Surgical Systems Inc. e dalla orto MAQUET GmbH & Co.KG) e teleoperati (daVinci e Zeus prodotti rispettivamente da Intuitive Surgical Inc. e Computer Motion Inc.). La nostra proposta ha quindi l'obiettivo, ambizioso ma realistico, di anticipare quelle che sono delle tendenze di ricerca e anche di sviluppo a livello internazionale, consentendo alle industrie ed al sistema sanitario nazionale del nostro paese di disporre di proprie conoscenze, tecnologie e prodotti simultaneamente a quanto verrà realizzato dai competitor internazionali.
Questa proposta, che mira ad affrontare classi di problemi di estremo interesse scientifico, tecnologico e clinico, sia nello scenario futuro che in quello attuale, si colloca esplicitamente in tale contesto.
Se da un punto di vista medico il progetto ha come obiettivo quello di fornire un apporto concreto all'analisi delle potenzialità di sistemi laser per la terapia e l'interventistica endovascolare e laparoscopica, da un punto di vista strettamente chirurgico-ingegneristico l'obiettivo è lo sviluppo e la valutazione di laboratorio di due dimostratori che affrontano, separatamente e su scala diversa ma nell'ottica di un'integrazione futura, i problemi relativi all'esplorazione endovascolare ed all'esecuzione robotica di interventi. I due dimostratori consisteranno in:
- un dispositivo robotico per l'esecuzione automatica, o assistita da chirurgo, di alcune fasi elementari nel corso di interventi di chirurgia mininvasiva. Tale dimostratore sarà costituito da due manipolatori robotici miniaturizzati e cooperanti, in grado di eseguire in laparoscopia alcune operazioni elementari (per esempio un nodo o un anastomosi);
- una sonda miniaturizzata per l'esecuzione di interventi endovascolari diagnostici e terapeutici per il trattamento di patologie cerebrovascolari.

Analizzando gli obiettivi proposti, è possibile ricondurre la ricerca a tre classi di problemi "medici" principali, ovvero a tre "tecnologie abilitanti", se vogliamo dare una lettura ingegneristica alle problematiche medico-chirurgiche. Le classi di problemi che si intendono affrontare sono le seguenti:

1. le tecniche diagnostiche e terapeutiche innovative applicabili in situ;
2. la navigazione guidata da immagini;
3. l'esecuzione autonoma o guidata di operazioni per mezzo di effettori robotici miniaturizzati.

1. Per quanto riguarda lo sviluppo di tecniche innovative in situ, l'intenzione è quella di valutare la possibilità di associare il trattamento della placca carotidea (responsabile delle maggiori deficienze cardio-vascolari e delle patologie di ictus) tramite terapia fotodinamica (PDT - Photo Dynamic Therapy) a tecniche di ultrasonografia intraluminale con microsonde ad alta frequenza. Si tratterebbe cioè di effettuare un intervento di PDT con cateteri miniaturizzati contenenti trasduttori ultrasonici in fibra ottica, emettitore di luce laser, sistema di visione e meccanismo di orientamento.
La terapia fotodinamica è una metodica emergente con ampie prospettive d'impiego. Essa consiste nella possibilità di indurre un effetto terapeutico (fotochimico) nel tessuto bersaglio tramite una sostanza fotosensibile. La sostanza fotosensibile viene somministrata per via endovenosa ed è selettivamente assorbita dal tessuto bersaglio mentre il tessuto sano circostante non subisce nessun effetto dall'irradiazione di luce. Tale selettività rende la PDT particolarmente interessante per il trattamento delle arteriopatie coronariche. L'associazione di questa tecnica a sistemi di riconoscimento ecografico della natura della placca porterebbe a notevoli miglioramenti sia a livello diagnostico che terapeutico, fra i quali riduzione dell'incidenza di trombi e minori complicanze post-terapeutiche.

2. Con l'avvento delle tecniche chirurgiche a bassa invasività, l'interventistica guidata da immagini, più nota come IGS (Image-Guided Surgery), ha acquisito un ruolo fondamentale di "comunicazione" fra lo strumento ed il chirurgo. Il chirurgo mininvasivo, non potendosi più affidare alla visione diretta ed alle sensazioni tattili per avere informazioni sulla parte operata, deve affidarsi alle immagini provenienti da una telecamera montata su uno strumento chirurgico ed introdotta nel corpo del paziente attraverso una piccola incisione. Oltre a questo aspetto, puramente endoscopico, la IGS include anche tutte le problematiche di localizzazione degli strumenti chirurgici all'interno del paziente nonché le problematiche di integrazione di informazioni provenienti in tempo reale dal sito operatorio con immagini e dati acquisiti in fase pre-operatoria.
In questo contesto, nell'ambito del progetto proposto la ricerca sarà focalizzata essenzialmente sulla localizzazione, in tempo reale, dei dispositivi endoscopici, robotici e dello strumentario chirurgico, e sulla accurata ricostruzione anatomica della zona dell'intervento. Ricondurre la posizione di tutti gli elementi della scena operatoria allo stesso sistema di riferimento è indispensabile per ricostruire un ambiente di realtà aumentata che fornisce una sorta di estensione sensoriale al chirurgo e sia anche la base sulla quale implementare processi robotici semi-autonomi.
Verrà quindi affrontato lo studio dei metodi di localizzazione della strumentazione e del paziente, di modellazione virtuale del sito operatorio e di registrazione di sistemi di coordinate, che meglio si prestano ad essere applicati nel settore della chirurgia mininvasiva. Particolare attenzione sarà rivolta all'integrazione delle informazioni disponibili in fase intra-operatoria, come quelle provenienti da sensori di posizione, di forza e di visione, con informazioni generate in fase pre-operatoria e risultanti dall'elaborazione di immagini mediche (RM, TC, fluoroscopia, immagini ecografiche etc.).

3. Nell'ambito dello studio e sviluppo di strumentazione minirobotica verrà perseguito come obiettivo la realizzazione di un nuovo paradigma: l'introduzione di processi semi-autonomi all'interno di sistemi teleoperati per chirurgia. In pratica si tratta di indagare il potenziale beneficio in chirurgia che potrebbe derivare dall'avere a disposizione dei sistemi minirobotici capaci di realizzare in modo autonomo dei compiti di tipo ripetitivo, che però richiedono un'elevata destrezza. Questo sia per ridurre la durata totale dell'intervento, sia per ridurre l'affaticamento del chirurgo, sia per garantire un'esecuzione standard e possibilmente ottimale del compito. Questo nuovo approccio attinge da un lato ai sistemi totalmente autonomi che eseguono compiti precedentemente pianificati, comuni ad esempio alle applicazioni ortopediche, e dall'altro ai sistemi classici di tipo "master-slave", in cui l'effettore ripete tutti e soli i movimenti che il chirurgo esegue sulla console master del dispositivo. Il paradigma operativo proposto permetterebbe al chirurgo di impartire degli ordini "complessi" al sistema - come ad esempio "effettua una anastomosi"; il sistema, che è stato precedentemente istruito in modo adeguato, effettua la manovra corrispondente in modo autonomo e ottimale.
Ovviamente questo nuovo paradigma operativo dovrà beneficiare di tutti i più avanzati moduli interventistici e di assistenza applicabili in situ. Ad esempio, un laser potrebbe essere condotto in fibra nel sito operatorio al fine di effettuare una anastomosi "laser assisted" che ridurrebbe i tempi dell'intervento, migliorerebbe la mininvasività, e ridurrebbe l'uso di corpi estranei (materiali di sutura).

Le principali tematiche di ricerca e le problematiche avanzate che verranno affrontate in questo contesto saranno le seguenti:
1. Image guidance e caratterizzazione meccanica del sito dell'intervento (forze in gioco e spazio di lavoro). Tali informazioni, integrate dalla caratterizzazione morfologica, forniranno una descrizione approfondita del sito in cui si deve intervenire;

2. metodi e tecniche utilizzanti la radiazione laser per la realizzazione di microsonde opto-ecografiche e per il trattamento di lesioni vascolari;

3. metodi e tecniche per lo sviluppo di microendoscopi flessibili:
- alta integrazione di dispositivi diagnostici ed interventistici nelle sonde e nei microendoscopi;
- aumento di maneggevolezza e possibilità di orientamento di sonde e microendoscopi;

4. metodi e tecniche per lo sviluppo di mini- e micro-manipolatori robotici:
- manipolazione cooperante di mini-effettori robotici modulari ai fini della realizzazione semi-autonoma di task ripetitivi. I sistemi robotici miniaturizzati potranno essere dispositivi posizionabili manualmente oppure integrabili su piattaforme robotico-chirurgiche esistenti, quali ad esempio daVinci e Zeus;
- progettazione e fabbricazione di sottosistemi meccatronici (meccanismi, attuatori, sensori e controllori) miniaturizzati da integrare nel sistema operatorio;
- definizione ed implementazione dell'architettura di controllo, e del relitivo software, in grado di gestire il sistema robotico utilizzando sia le informazioni provenienti, in tempo reale, dal sistema di visione, dai sensori di posizione e di forza, integrati nei micromanipolatori, che le capacità acquisite durante la fase di apprendimento svolta da chirurghi "istruttori" utilizzando sistemi aptici con ritorno di forza.

I risultati previsti sono l'acquisizione di conoscenze di base sugli argomenti trattati ed il trasferimento degli stessi nella realizzazione prototipale del microendoscopio endovascolare e dei minieffettori robotici per interventistica vascolare e chirurgia mininvasiva, nella previsione di un'integrabilità dei due approcci in seguito ad un futuro avanzamento tecnologico, nonché dell'utilizzo in numerose possibili applicazioni nell'ambito degli scenari illustrati in Figura 1 e 2.

La partecipazione delle Imprese Industriali alla presente proposta avviene nel rispetto di quanto previsto al comma 4 dell'art.5 del DM n°199 Ric. dell'8 marzo 2001.<<<

Durata

36 mesi