Sequential development and evaluation of virtual model control with integral control for robotic dry-bone resection: a benchtop study

Immaginate un chirurgo che cerca di rimodellare un osso all'interno di un'articolazione utilizzando un minuscolo trapano ad alta velocità. L'obiettivo è rimuovere solo il materiale necessario per ripristinare un movimento fluido, ma non così tanto da indebolire o rompere l'osso. Nel corpo umano, questo compito è incredibilmente difficile. Il chirurgo può vedere solo una piccola parte della superficie in ogni momento attraverso una telecamera, e l'osso stesso è duro e irregolare. Se il chirurgo rimuove troppo poco, il problema persiste; se ne rimuove troppo, il rischio di frattura aumenta. Per aiutare con questa precisione, gli ingegneri stanno costruendo robot capaci di seguire esattamente un percorso prestabilito. Tuttavia, anche un robot può avere difficoltà quando una punta da trapano rotante colpisce una superficie dura. La forza del contatto può spingere il braccio del robot leggermente fuori rotta, creando un'oscillazione o un divario tra dove il robot pensava di essere e dove ha effettivamente tagliato.

Questa è la sfida che i ricercatori dell'Università di Cambridge si sono posti di risolvere. Volevano vedere se un tipo specifico di controllo robotico, che permette alla macchina di sentire e reagire all'osso come una molla, potesse essere reso abbastanza preciso per la chirurgia. Hanno testato le loro idee non su un paziente, ma su un blocco di osso sintetico in un laboratorio. Il loro lavoro si è concentrato su un metodo chiamato controllo del modello virtuale. In termini semplici, questo sistema immagina un percorso perfetto e invisibile che il trapano deve seguire. Collega il trapano reale a questo percorso invisibile con una molla simulata e un ammortizzatore. Se il trapano reale si allontana dal percorso, il sistema lo spinge indietro. Ma i ricercatori hanno scoperto che quando il trapano premeva con forza contro l'osso, la molla si tendeva, lasciando un piccolo errore che il robot non riusciva a correggere da solo. Per risolvere questo, hanno aggiunto un secondo livello di correzione che ricorda gli errori passati e li corregge gradualmente nel tempo.

Il team è partito con una configurazione standard: un robot a sette braccia che tiene un trapano con punta in diamante da quattro millimetri, che ruota a 12.000 giri al minuto. Lo hanno programmato per incidere un motivo a quadrato di dieci per dieci millimetri in un blocco di osso sintetico. Nel loro primo tentativo, utilizzando il modo originale in cui il trapano veniva impugnato, i risultati sono stati grossolani. La punta del trapano tremava visibilmente e il taglio deviava significativamente dal quadrato pianificato. I ricercatori hanno misurato questa prestazione su una scala in cui un punteggio più basso indicava un taglio migliore. La configurazione iniziale ha ottenuto una media di 11,7 su 12, indicando un risultato scarso con grandi deviazioni in ogni direzione.

Il primo grande miglioramento è arrivato cambiando il modo in cui il trapano veniva impugnato. La configurazione originale bloccava solo il manico del trapano, lasciando libera di oscillare la lunga asta sottostante. I ricercatori hanno progettato un nuovo supporto che sostiene l'asta più vicino alla punta di taglio, imitando il modo in cui un chirurgo esperto stabilizza la mano. Questo semplice cambiamento meccanico ha ridotto le vibrazioni e ha reso più liscia la superficie del taglio. Il punteggio di prestazione è sceso a 7,7. Il taglio non era ancora perfetto, ma la superficie non era più un disastro craterizzato; somigliava più a un'onda dolce.

Successivamente, il team ha affrontato il senso di direzione del robot. Anche un robot preciso può avere una leggera discrepanza tra la sua mappa interna e la sua realtà fisica. I ricercatori hanno utilizzato un sistema di telecamere per misurare la posizione esatta del braccio del robot e hanno regolato il software per far corrispondere la macchina fisica. Questa calibrazione ha migliorato ulteriormente il punteggio portandolo a 5,7. Il taglio è diventato ancora più liscio, sebbene un lato rimanesse leggermente più profondo dell'altro. L'ultimo passaggio è stato l'allineamento del robot con il blocco d'osso stesso. Poiché il blocco era stato posizionato a mano in una morsa, non era mai perfettamente in piano. I ricercatori hanno insegnato al robot a scansionare la superficie dell'osso e ad adattare il proprio piano per adattarsi all'angolo reale del blocco. Con questo ultimo aggiustamento, il punteggio è sceso a 4,0. Il quadrato risultante era visivamente in piano, con bordi dritti e angoli netti che corrispondevano strettamente al piano originale.

Dopo aver stabilizzato il robot e l'osso, i ricercatori hanno poi testato diverse impostazioni per trovare il "punto di equilibrio" per il taglio. Hanno variato la profondità con cui il trapano penetrava in ogni passata, la velocità di movimento e l'angolo con cui si avvicinava all'osso. Hanno scoperto che i migliori risultati si ottenevano quando il trapano rimuoveva uno strato di materiale molto sottile, tra 0,10 e 0,25 millimetri per passata. Muovere il trapano troppo velocemente, più velocemente di 2,5 millimetri al secondo, causava la perdita di stabilità del sistema e il peggioramento del punteggio. Allo stesso modo, tenere il trapano a un angolo molto ripido o molto piatto portava a risultati peggiori. L'intervallo ideale era una velocità moderata tra 1,5 e 2,5 millimetri al secondo, con il trapano inclinato tra 30 e 45 gradi. Con queste impostazioni, il robot poteva mantenere un taglio costante e preciso senza tremare o deviare.

Lo studio conclude che combinando una presa meccanica stabile, una calibrazione precisa della posizione del robot e un allineamento accurato con il pezzo in lavorazione, un robot che utilizza questo metodo di controllo può passare dal realizzare tagli instabili e imprecisi all'eseguire rese ripetibili e precise. I ricercatori osservano che, sebbene questi risultati siano promettenti, sono stati ottenuti in un ambiente di laboratorio controllato con un blocco uniforme di materiale sintetico. Il passo successivo sarebbe quello di testare questo sistema in un modello più realistico che includa le forme complesse e i tessuti molli di una vera articolazione dell'anca. Fino ad allora, il lavoro fornisce una tabella di marcia chiara su come rendere il taglio osseo robotico più affidabile, trasformandolo da uno strumento instabile e impreciso a uno capace di offrire una mano ferma al chirurgo.