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Tesi etd-10302013-160611


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
PRACCHIA, MATTEO
email address
matteopracchia@hotmail.it
URN
etd-10302013-160611
Title
Progettazione e sviluppo di un tool sensorizzato ed attuato per chirurgia laser assistita dell'Ipertrofia Prostatica Benigna (IPB)
Struttura
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Corso di studi
INGEGNERIA BIOMEDICA
Supervisors
correlatore Ing. Russo, Sheila
relatore Prof.ssa Menciassi, Arianna
controrelatore Prof.ssa Ahluwalia, Arti Devi
Parole chiave
  • chirurgia laser assistita
  • Fiber Grating Sensor
  • reticoli di Braag
  • FBG
  • Holmium Laser Ablation of Prostate
  • sensori di forza
  • force sensing
  • HoLAP
  • continuum robots
  • contact detection
Data inizio appello
03/12/2013;
Consultabilità
Completa
Riassunto analitico
L’Ipertrofia Prostatica Benigna (IPB) è una condizione patologica caratterizzata da un ingrossamento della ghiandola prostatica, dovuto a un aumento del numero di cellule che costituiscono la componente parenchimale e stromale della prostata. L’aumento di volume (adenoma) comporta un’occlusione della parte iniziale dell’uretra, posta tra il collo vescicale e il collicolo seminale (veru montanum), e circondata dalla ghiandola prostatica. I sintomi correlati sono l’aumento della frequenza nell’urinare (poliuria), la difficoltà nella minzione e lo svuotamento non completo della vescica, che può comportare fenomeni di proliferazione batterica e conseguente rischio di uretriti, oltre alla formazione di calcoli dovuti alla cristallizzazione del residuo post-minzionale. Tra i trattamenti chirurgici per la cura dell’IPB, sono state sviluppate recentemente diverse tecniche di operazione che prevedono l’utilizzo del laser come elemento operativo. L’intervento ha lo scopo di rimuovere attraverso uno strumento endoscopico (il resettoscopio) inserito per via transuretrale, il tessuto responsabile dell’occlusione, ed è effettuato solitamente in anestesia spinale.
Il laser, rispetto agli elementi operativi tradizionali, quali ad esempio l’elettrodo (ansa diatermica) utilizzato per terapie TURP (TransUrethral Resection of the Prostate) o gli aghi utilizzati nella TUNA (TransUrethral Needle Ablation), ha il vantaggio di indurre nel tessuto fenomeni di emostasi più rapidi, riducendo il sanguinamento intra-operatorio; questo diminuisce anche le tempistiche di degenza post-operatoria del paziente, e rende possibile l’operazione anche per pazienti con disturbi della coagulazione o sottoposti a terapie con anticoagulanti/antiaggreganti. Tra le diverse tipologie di laser utilizzate per la procedura, hanno particolare rilevanza quelle che utilizzano laser a Olmio o Tullio; questi laser possiedono una lunghezza d’onda rispettivamente di 2140 nm e 2013 nm e rilasciano un’elevata dose di energia per volume di tessuto (profondità di penetrazione attorno a 0.4 mm). Questo comporta la rimozione del tessuto per vaporizzazione, non per coagulazione (come avviene invece con l’utilizzo di altre tipologie di laser). I processi di coagulazione danno origine a un edema post-operatorio e a processi biologici di rimozione del tessuto necrotico più lunghi di quelli che si sviluppano con la vaporizzazione, inducendo anche una prolungata ostruzione del tratto urinario, che rende necessaria una cateterizzazione post-operatoria che può durare fino a quindici giorni.
Un aspetto critico dei laser a Olmio o Tullio è l’assorbimento dell’energia laser da parte dell’acqua. Se la fibra laser non è a diretto contatto con il tessuto, la sua energia è dispersa nel liquido circostante, formando bolle di vapore che limitano la visione endoscopica attraverso l’elemento ottico del resettoscopio. Inoltre questo fenomeno induce un’ablazione non controllata dell’uretra prostatica, provocando carbonizzazione del tessuto, con conseguente formazione di crateri e aumento delle complicazioni post-operatorie, quali ad esempio infezioni delle vie urinarie e difficoltà nella minzione.
Un’ulteriore criticità del trattamento convenzionale con l’utilizzo di laser a Olmio o Tullio è legata alle tempistiche della procedura, che sono più lunghe di terapie che utilizzano altre tipologie di laser. La durata prolungata è dovuta alle difficoltà del chirurgo nel portare la fibra laser a contatto con il tessuto, dato che per compiere un piccolo movimento in punta deve muovere considerevolmente tutto lo strumento esternamente.
Lo scopo del presente studio di tesi consiste nella progettazione e realizzazione di uno smart tool (attuato e sensorizzato) per la chirurgia transuretrale dell’IPB attraverso l’ablazione per mezzo di laser a Olmio o Tullio, che permetta di superare le criticità dell’intervento tradizionale sopra descritte.
La soluzione proposta consiste nel catheter-like robot ASTRO (Actuated and Sensorizated Tool for laseR assisted surgery of the prOstate). I sensori monitorano le forze di contatto all’interfaccia laser-tessuto. Attraverso il feedback dei sensori, il meccanismo di attuazione orienta la punta del laser all’interno della ghiandola prostatica durante l’intervento: in questo modo si garantisce un contatto stabile tra il tool chirurgico e il tessuto prostatico, in modo da rendere la procedura più efficace e veloce.
È stato opportunamente progettato un catetere multilumen con diametro esterno di 2.1 mm, questo per agevolare l’integrazione di ASTRO all’interno del canale operativo di un resettoscopio commerciale Storz (diametro pari a 2.5 mm). Per la sensorizzazione in forza è stato scelto un sistema di sensori a fibre ottiche e per l’attuazione è stato realizzato un sistema a cavi.
All’interno del catetere multilumen è stato predisposto un lume centrale (diametro di 1.3 mm) per alloggiare la fibra laser. Nel volume residuo tra il lume centrale e l’esterno del catetere sono presenti sei lumi di diametro pari a 0.22 mm, disposti su una circonferenza di raggio 0.75 mm centrata sul centro del catetere e intervallati di 60° l'uno dall'altro. Tali lumi servono ad alloggiare tre sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG) di diametro pari a 0.18 mm, e tre cavi in Nylon (diametro di 0.15 mm), che sono fissati in punta ad ASTRO e collegati a tre motoriduttori indipendenti per attuare il sistema.
È stata realizzata un'interfaccia di controllo che elabora il segnale ricevuto dai sensori, calcola la forza di contatto (modulo e direzione) e la mostra a video all’utente in tempo reale. Un sistema di controllo a ciclo chiuso utilizza la misura per far muovere il laser a contatto col tessuto attraverso la trazione dei cavi (azionamento dei motori). Attraverso l’interfaccia, il chirurgo può monitorare la forza di contatto tra il tool chirurgico e il tessuto prostatico durante l’operazione e intervenire in qualsiasi momento abilitando o disabilitando l’attuazione del laser.
ASTRO è progettato per misurare forze laterali in 2D, agenti in punta al dispositivo sul piano trasversale all’asse dello strumento, e questo è possibile attraverso l’utilizzo di tre sensori disposti sullo stesso piano trasversale. L’utilizzo di tre elementi permette, infatti, di eliminare la componente a modo comune data dalla variazione di temperatura.
Il sistema di sensorizzazione è stato opportunamente calibrato, applicando delle forze note in punta allo strumento, a intervalli di 0.2 mN, in un range tra 0 e 2 mN. I test sono stati effettuati applicando le forze lungo 9 diverse direzioni, e per ognuna sono stati effettuati 10 test, in modo da valutare la ripetibilità della risposta dei sensori e ridurre l’errore di misura. L’intero dataset di calibrazione è composto in totale da 1980 acquisizioni. Per ognuna direzione è stata calcolata la matrice che correla la risposta dei sensori con le forze agenti in punta ad ASTRO. La matrice di calibrazione totale del sistema è stata calcolata attraverso la media delle 9 matrici così ricavate.
Le specifiche in termini di risoluzione della forza misurata sono state fissate in fase progettuale in modo da garantire una corretta ablazione del tessuto prostatico ed evitare danni indesiderati al tessuto. Dai test effettuati il dispositivo risulta avere una risoluzione pari a 10 mN. Tale valore soddisfa i prerequisiti fissati in fase progettuale.
Il sistema di attuazione è stato dimensionato in modo da portare a contatto il laser con le pareti di un’uretra sana (6 mm di diametro).
Sono stati eseguiti test di caratterizzazione del movimento del robot sia utilizzando come riferimento della carta millimetrata, sia testandolo su fantoccio antropometrico ed è stato dimostrato che il sistema di attuazione soddisfa i prerequisiti in termini di dimensioni e di range di movimento.
In conclusione la piattaforma meccatronica ASTRO realizzata soddisfa le specifiche imposte in fase di progettazione e potenzialmente potrà permettere al chirurgo di eseguire l'intervento di ablazione laser dell'IPB in modo più efficace rispetto alla procedura chirurgica attuale.
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