• bevel angles
• force reduction
• minimally invasive surgery
• mosquito proboscis mechanics
• pancreatic cancer
• prototype
• pzt actuators
• soft tissue penetration
• vibrations

(EN)
Pancreatic cancer, cystic tumors of the pancreas, acute pancreatitis, and chronic pancreatitis represent a subset of pathologies that exert a significant impact on the pancreas. The integration of minimally invasive surgical techniques, coupled with computational advancements, holds immense potential in expediting diagnostics and treatment procedures, consequently elevating their efficacy.

Positioned within the abdominal cavity, posterior to the stomach, the pancreas emerges as a multifunctional organ, orchestrating the secretion of both digestive
enzymes and insulin, thereby manifesting a dual exocrine-endocrine role. Surgical interventions targeting the pancreas encompass a diverse array of indications. The selection of a specific surgical approach hinges on the precise nature of the pancreatic ailment in conjunction with its presenting symptoms.

Modern biomedical procedures demand precision and efficacy in soft tissue penetration. Motivated by nature’s efficiency, such as mosquito probosci’s mechanics, this research explores vibrations’ potential to reduce the force required for penetration. Additionally, optimal bevel angles are studied to identify configurations
that minimize force. The study commences with a meticulous design process using FUSION360 and COMSOL to construct a comprehensive model.

The key investigation delves into choosing the correct PZT actuators for this kind of procedure: which will be a PZT stack actuator. Two tentacle types simulate soft
tissue penetration scenarios. The first evaluates vibration efficiancy, employing the piezoelectric actuator within a structure including a protective enclosure and needle.A total of 30 tests were conducted, varying the penetration speed in three soft materials with different levels of rigidity (ECOFLEX 30, ECOFLEX 20, and ECOFLEX GEL), ranging from 1 mm/sec to 5 mm/sec, both with and without the application of vibrations. This initial set of tests was carried out to evaluate the effectiveness of vibrations in these specific situations.

The second test conducted, following an assessment of the effectiveness of vibrations, aims to evaluate which bevel angles are more advantageous for tentacle penetration into a soft material. To support this test, a COMSOL simulation was performed to determine the optimal frequency to apply to the PZT actuator in order to achieve the resonance frequency.

Results demonstrate reduced maximum force during needle vibration and highlight sharper bevel angles’ further effectiveness. In conclusion, this study presents a multifaceted approach, combining simulations, material engineering, and experimentation. It showcases vibrations’ potential to reduce force and introduces innovative solutions for enhanced procedural precision.

(IT)
Il cancro del pancreas, i tumori cistici del pancreas, la pancreatite acuta e la pancreatite cronica rappresentano un sottoinsieme di patologie che esercitano un significativo impatto sul pancreas. L'integrazione delle tecniche chirurgiche a minima invasione, unite ai progressi computazionali, ha un enorme potenziale nel velocizzare le procedure di diagnosi e trattamento, elevandone di conseguenza l'efficacia.

Posizionato all'interno della cavità addominale, dietro lo stomaco, il pancreas emerge come un organo multifunzionale, orchestrando la secrezione sia di enzimi digestivi che di insulina, manifestando quindi un duplice ruolo esocrino-endocrino.

Le procedure chirurgiche mirate al pancreas comprendono una vasta gamma di indicazioni. La scelta di un approccio chirurgico specifico dipende dalla natura precisa della patologia pancreatica in congiunzione con i sintomi presenti.

Le moderne procedure biomediche richiedono precisione ed efficacia nella penetrazione dei tessuti molli. Motivata dall'efficienza della natura, come la meccanica delle proboscidi delle zanzare, questa ricerca esplora il potenziale delle vibrazioni nel ridurre la forza richiesta per la penetrazione. Inoltre, vengono studiati gli angoli di smusso ottimali per identificare configurazioni che minimizzano la forza. Lo studio inizia con un meticoloso processo di progettazione utilizzando FUSION360 e COMSOL per costruire un modello completo.

La chiave dell'indagine consiste nella scelta dei corretti attuatori PZT per questo tipo di procedura: che sarà un attuatore a pila PZT. Due tipi di tentacoli simulano scenari di penetrazione dei tessuti molli. Il primo valuta l'efficienza delle vibrazioni, impiegando l'attuatore piezoelettrico all'interno di una struttura che include un involucro protettivo e un ago. Sono state condotte un totale di 30 prove, variano la velocità di penetrazione in tre materiali morbidi con differenti livelli di rigidità (ECOFLEX 30, ECOFLEX 20 e ECOFLEX GEL), da 1 mm/sec a 5 mm/sec, sia con che senza l'applicazione di vibrazioni. Questo primo set di test è stato eseguito per valutare l'efficacia delle vibrazioni in queste specifiche situazioni.

Il secondo test condotto, dopo aver valutato l'efficacia delle vibrazioni, mira a valutare quali angoli di smusso siano più vantaggiosi per la penetrazione di un tentacolo in un materiale soft. Per supportare questo test, è stata effettuata una simulazione COMSOL per determinare la frequenza ottimale da applicare all'attuatore PZT al fine di raggiungere la frequenza di risonanza.

I risultati mostrano una riduzione della forza massima durante la vibrazione dell'ago e mettono in evidenza l'ulteriore efficacia degli angoli di smusso più acuti. In conclusione, questo studio presenta un approccio multifacetico, combinando simulazioni, ingegneria dei materiali e sperimentazione. Esso illustra il potenziale delle vibrazioni nel ridurre la forza e introduce soluzioni innovative per una maggiore precisione procedurale.