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Io Uomo tu Robot
La navigazione robotizzata per intervenire in strutture vascolari complesse

Un team guidato dal professor Sylvain Martel presso il Polytechnique Montréal Nanorobotics Laboratory ha sviluppato un nuovo approccio per affrontare una delle maggiori sfide della chirurgia endovascolare: come riuscire ad arrivare negli spazi fisiologici più difficili da raggiungere.

La loro soluzione è una piattaforma robotica che utilizza il campo marginale generato dal magnete superconduttore di uno scanner di risonanza magnetica clinica (MRI) per guidare gli strumenti medici attraverso strutture vascolari più profonde e complesse.

La metodologia è stata dimostrata con successo in vivo e recentemente pubblicata su Science Robotics “Using the fringe field of a clinical MRI scanner enables robotic navigation of tethered instruments in deeper vascular regions”.

un metodo basato su una forza di trazione direzionale

Per capire il funzionamento di questo innovativo approccio è sufficiente immaginare di dover spingere un filo sottile come un capello umano sempre più in profondità all'interno di un tubo molto lungo, stretto e con ostacoli non sempre prevedibili. Sappiamo come la mancanza di rigidità del filo e le forze di attrito esercitate sulle pareti del tubo possono alla fine renderà impossibile la manovra, il filo prevedibilmente si piega su se stesso e resta bloccato nella sua navigazione nel tubo. 

E’ essenzialmente la stessa sfida che affrontano i chirurghi che cercano di eseguire procedure mini-invasive in parti sempre più profonde del corpo umano guidando un filo adatto allo scopo o altra strumentazione (come un catetere) attraverso reti strette e tortuose di vasi sanguigni.

I ricercatori hanno individuato una soluzione che, avvalendosi di una forza di trazione direzionale per integrare la forza di spinta, contrasta le forze di attrito all'interno del vaso sanguigno spostando lo strumento operativo più lontano. Il dispositivo utilizza una punta magnetizzata che è trascinata all'interno dei vasi dalla forza di attrazione dal potente magnete superconduttore posto all'esterno del corpo del paziente e in grado di fornire l'attrazione aggiuntiva necessaria per guidare il dispositivo magnetizzato il più lontano possibile. 

Un’ attrezzatura ospedaliera moderna che può svolgere questo ruolo è lo scanner MRI che ha un magnete superconduttore che genera un campo decine di migliaia di volte più forte di quello della Terra.

Il campo magnetico all'interno del tunnel di uno scanner MRI è tuttavia uniforme in quanto deve, per le sue prerogative, eseguire l'imaging del paziente. Tale uniformità rappresenta per i ricercatori del Polytechnique Montréal Nanorobotics Laboratory un limite in quanto per “tirare” la punta dello strumento attraverso strutture vascolari labirintiche il campo magnetico guida deve essere modulato nella massima ampiezza possibile e quindi essere ridotto il più rapidamente possibile.

il professor Martel riflettendo su questo problema ha ritenuto opportuno utilizzare non il principale campo magnetico, presente all'interno del tunnel della macchina per risonanza magnetica, ma il cosiddetto campo marginale all'esterno della macchina stessa. 

I produttori di scanner per risonanza magnetica normalmente riducono al minimo il campo marginale. Il risultato è un campo di ampiezza molto elevata che decade molto rapidamente. Per noi, quel campo marginale rappresenta una soluzione eccellente che è di gran lunga superiore ai migliori approcci di guida magnetica esistenti, ed è in uno spazio periferico favorevole agli interventi su scala umana. Per quanto ne sappiamo, questa è la prima volta che un campo marginale MRI è stato utilizzato per un'applicazione medica.  Professoressa Sylvain Martel, Polytechnique Montréal Nanorobotics Laboratory

La piattaforma robotica

Per poter efficacemente guidare uno strumento in strutture profonde, come all'interno dei vasi sanguigni, non solo è necessaria una forte forza di attrazione, ma la stessa deve essere opportunamente orientata per tirare la punta magnetica dello strumento in differenti direzioni all'interno dei vasi.

Date le dimensioni ed il peso dello scanner MRI è impossibile spostarlo per cambiare la direzione del campo magnetico e per ovviare a questo problema il paziente viene invece spostato in prossimità della macchina utilizzata per la risonanza magnetica. La piattaforma sviluppata dal team del professor Martel utilizza un tavolo robot posizionato all'interno del campo marginale accanto allo scanner.

Il tavolo è stato progettato da Arash Azizi - l'autore principale dell'articolo e un dottorando in ingegneria biomedica il cui consulente di tesi è il professor Martel – e può muoversi su tutti gli assi consentendo di posizionare e orientare il paziente in base alla direzione in cui lo strumento deve essere guidato attraverso il suo corpo. Il tavolo cambia automaticamente direzione e orientamento per posizionare il paziente in modo ottimale per le fasi successive della navigazione dello strumento. Questo avviene grazie a un sistema che mappa le forze direzionali del campo magnetico dello scanner MRI, una tecnica che il professor Martel ha soprannominato Fringe Field Navigation (FFN).

Uno studio in vivo di FFN con mappatura a raggi X ha dimostrato la capacità del sistema di sterzare in modo efficiente e minimamente invasivo di strumenti di diametro estremamente ridotto in profondità all'interno di strutture vascolari complesse fino a quel momento inaccessibili con metodi già conosciuti.

Robot che aiutano i chirurghi

Questa soluzione robotica consente procedure interventistiche endovascolari in regioni anche profonde e quindi attualmente inaccessibili del corpo umano.

I ricercatori ritengono che questo innovativo approccio consente di ampliare le possibilità di applicazione di varie procedure mediche tra cui diagnosi, imaging e trattamenti locali. Potrebbe servire ad aiutare i chirurghi nelle procedure che richiedono metodi meno invasivi possibili, incluso il trattamento del danno cerebrale come un aneurisma o un ictus.

Questo lavoro di ricerca ha ricevuto il sostegno del Canada Research Chairs Program.

Credit: Polytechnique Montréal Nanorobotics Laboratory

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    robotica applicata alla medicinarisonanza magneticaintelligenza artificiale
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