Robotic Tele-Operation for Upper Aerodigestive Tract Microsurgery: System Design and Validation
Questo articolo presenta e valida un nuovo sistema di teleoperazione robotica caratterizzato da un end-effector specializzato per il controllo delle pinze e un framework di centro di rotazione remoto, progettato per migliorare l'ergonomia, la precisione e la controllabilità nella microchirurgia del tratto aerodigestivo superiore.
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La chirurgia all'interno della gola è un delicato gioco di equilibrio. L'area nota come tratto aerodigestivo superiore contiene la laringe e le vie per l'aria e il cibo, ed è uno spazio stretto e confinato. Per trattare tumori o polipi in questa zona, i chirurghi utilizzano spesso una tecnica chiamata microchirurgia laser transorale. In questa procedura, un raggio laser recide il tessuto malato con estrema precisione, ma il chirurgo deve anche tenere fermo il tessuto e tirarlo in vista utilizzando una pinza. Attualmente, il chirurgo esegue questa presa e questo mantenimento interamente a mano, inserendo gli strumenti attraverso un tubo rigido chiamato laringoscopio, che è fissato alla bocca del paziente. Mentre il laser effettua il taglio, la mano umana deve occuparsi del mantenimento, un compito che richiede un'immensa stabilità. Nel corso di lunghi periodi, questo lavoro manuale può portare a tremori, affaticamento e una perdita del controllo fine necessario per navigare in un corridoio così stretto senza danneggiare i tessuti sani.
Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo sistema robotico progettato per farsi carico della parte manuale di questo lavoro, lasciando al chirurgo il compito di concentrarsi sul laser. Inve invece di tenere le pinze direttamente, il chirurgo siede ora a una console e controlla un robot che tiene gli strumenti per lui. Questa configurazione permette al chirurgo di muovere il braccio del robot con un controller manuale, mentre il robot traduce quei movimenti in movimenti fluidi e stabili all'interno della gola del paziente. Una caratteristica chiave di questo sistema è un punto di pivot virtuale. Immaginate che le pinze siano attaccate a un punto fisso all'ingresso della gola; il robot è programmato in modo che, indipendentemente da come il chirurgo muova la mano, lo strumento ruoti attorno a quel singolo punto. Ciò evita che lo strumento urti i lati della gola o blocchi la visuale della telecamera, un problema comune quando si muovono gli strumenti in uno spazio così ristretto. Il sistema include anche un meccanismo di sicurezza in cui il robot si muove solo quando il chirurgo preme due pedali contemporaneamente, garantendo che gli strumenti non si muovano accidentalmente.
Per testare se questa idea funzioni, i ricercatori hanno invitato dieci persone senza alcuna esperienza precedente nella chirurgia della gola a provare il sistema. Ai partecipanti è stato chiesto di eseguire un compito utilizzando un modello di una corda vocale fatta di silicone, che presentava piccole protuberanze rappresentanti dei tumori. In un round, hanno usato le pinze con le proprie mani. Nell'altro, hanno usato il nuovo sistema robotico. I ricercatori hanno misurato quanto fossero stabili gli strumenti tracciando le minuscole vibrazioni. I risultati hanno mostrato una chiara differenza: quando usavano il robot, gli strumenti erano significativamente più stabili, con molte meno oscillazioni rispetto a quando i partecipanti usavano le mani. Ciò suggerisce che il robot possa filtrare i tremori naturali della mano umana, fornendo una presa più stabile sul tessuto.
Il team ha anche esaminato quanto fosse faticoso il lavoro fisico per i chirurghi. Hanno misurato l'attività muscolare dei partecipanti negli avambracci utilizzando sensori che rilevano i segnali elettrici dai muscoli. Quando i partecipanti utilizzavano il sistema robotico, i loro muscoli mostravano livelli di attivazione inferiori rispetto a quando usavano le mani. Questo indica che il robot svolge il lavoro pesante, riducendo lo sforzo fisico del chirurgo. Inoltre, i partecipanti hanno riferito che il sistema risultava intuitivo e facile da imparare. Si sono sentiti sicuri nella loro capacità di controllare gli strumenti e hanno trovato l'esperienza coinvolgente, sebbene alcuni abbiano notato che avrebbero beneficiato di più tempo per la pratica e dell'aggiunta della visione 3D per rendere il compito ancora più facile.
Lo studio conclude che sostituire le pinze manuali con una versione controllata da un robot è un passo promettente in avanti per questo tipo di chirurgia. Il sistema ha migliorato con successo la stabilità degli strumenti e ha ridotto lo sforzo fisico richiesto dal chirurgo. Sebbene l'attuale versione sia un prototipo che funziona bene in un ambiente controllato, i ricercatori vedono un percorso chiaro per il futuro. Pianificano di aggiungere il feedback di forza in modo che i chirurghi possano "sentire" il tessuto attraverso il robot e perfezionare il software per garantire che gli strumenti non blocchino mai la visuale della telecamera. Rendendo il compito difficile di tenere il tessuto all'interno della gola più facile e preciso, questa tecnologia mira ad aiutare i chirurghi a eseguire queste procedure complesse con maggiore accuratezza e meno affaticamento.
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