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Un microrobot a guida laser per migliorare la chirurgia mininvasiva

Gli ingegneri robotici del Wyss Institute di Harvard e della John A. Paulson School for Engineering and Applied Science (SEAS) guidati da Robert Wood e Peter York hanno sviluppato un microrobot a guida laser che può essere integrato con gli strumenti endoscopici esistenti utilizzati in interventi chirurgici mininvasivi.

Il loro approccio innovativo con tecnologia laser è stato pubblicato sulla rivista Science Robotics 13 Jan 2021, “Microrobotic laser steering for minimally invasive surgery”.

Attraverso la tecnica mininvasiva i chirurghi accedono ai tessuti interni attraverso piccole incisioni esterne per raggiungere l’area su cui intervenire utilizzando strumenti miniaturizzati  in grado  di ridurre al minimo il trauma legato all'attraversamento della parete del distretto coinvolto.

Il primo intervento in laparoscopia fu effettuato in Francia nel 1987 dal dott. Phillipe Mouret e da questo periodo si può perciò far risalire la nascita della chirurgia mininvasiva, pratica oggi comune in medicina che utilizza mezzi sempre più sofisticati, altamente tecnologici, come la chirurgia robotica.

"Per consentire la chirurgia laser minimamente invasiva all'interno del corpo, abbiamo ideato un approccio microrobotico che ci consente di dirigere con precisione un raggio laser su piccoli siti target in schemi complessi all'interno di un'area anatomica di interesse", ha detto York, autore dello studio e borsista post-dottorato nel team di microrobotica di Wood

"Con la sua ampia gamma di articolazioni, il minimo ingombro e un'azione rapida e precisa, questo dispositivo endoscopico con guida laser ha un grande potenziale per migliorare le capacità chirurgiche semplicemente aggiungendolo ai dispositivi endoscopici esistenti in modo plug-and-play".

La soluzione microrobotica 

La realizzazione di meccanismi multiarticolati da utilizzare con strumenti chirurgici minimamente invasivi è particolarmente complessa a causa delle sfide di fabbricazione, assemblaggio e attuazione su scala millimetrica dei dispositivi.

I ricercatori robotici del Wyss Institute e di Harvard SEAS hanno sviluppato un end-effector microrobotico compatto a guida laser in un contenitore miniaturizzato di 6 × 16 millimetri che funziona ad alta velocità e precisione e può essere integrato con gli strumenti endoscopici esistenti.

Il raggio laser deve essere guidato e posizionato con grande precisione all'estremità distale di un endoscopio e questo non è sempre realizzabile con la tecnologia relativamente ingombrante, oggi disponibile.

Il nuovo dispositivo opto elettromeccanico microrobotico, realizzato dagli ingegneri robotici del Wyss Institute offre la possibilità di guidare con precisione un laser chirurgico ad alta velocità, "vedere dietro gli angoli", per intervenire in aree precedentemente inaccessibili e riducendo al minimo i danni ai tessuti circostanti. 

le sfide progettuali

Per il Team la sfida progettuale che occorreva superare era rappresentata soprattutto del meccanismo di sterzo ottico che doveva consentire uno stretto controllo sul raggio laser una volta uscito da una fibra ottica.

I ricercatori dell'Università di Harvard hanno progettato un sistema di sterzatura laser che incorpora attuatori di piegatura piezoelettrici e tre specchi rotanti in miniatura.

Il raggio laser entra nel microrobot attraverso una fibra ottica e una lente di collimazione gradient-index restringe e allinea il raggio. Durante la progettazione del dispositivo il team ha ipotizzato che il raggio sarebbe stato largo 1 mm in questo punto. Una lente in miniatura piano-convessa focalizza la luce e uno specchio fisso la riflette con un angolo di 90 gradi. Successivamente nel percorso della luce ci sono gli specchi controllabili che indirizzano il fascio sul sito chirurgico.

"Abbiamo scoperto che per guidare e reindirizzare il raggio laser, una configurazione di tre piccoli specchi che possono ruotare rapidamente l'uno rispetto all'altro in un piccolo 'galvanometro', ha fornito un punto debole per il nostro sforzo di miniaturizzazione", ha spiegato Rut Peña, ingegnere meccanico con esperienza di micro-produzione del Team di Wood.

Per realizzare il dispositivo i ricercatori hanno combinato parti standard con componenti progettati su misura costruiti con strumenti di microlavorazione. Per unire i diversi elementi il team ha sviluppato una nuova tecnica di assemblaggio modulare con lo scopo di snellirne il processo.

"Per arrivarci, abbiamo sfruttato i metodi del nostro arsenale di microfabbricazione in cui i componenti modulari sono laminati passo dopo passo su una sovrastruttura su scala millimetrica: un processo di fabbricazione altamente efficace quando si tratta di iterare rapidamente i progetti alla ricerca di un ottimale e fornire una solida strategia per la produzione di massa di un prodotto di successo ".

Gli scienziati hanno progettato il loro microrobot proof-of-concept solo con un puntatore laser rosso a bassa potenza. York la definisce una "limitazione importante del nostro studio" e aggiunge che il team sta ora lavorando per integrare la tecnologia di sterzatura laser con i tipi di laser ad alta potenza, più spesso laser ad anidride carbonica utilizzati nella chirurgia moderna.

Altre sfide: la necessità di velocizzare il processo e la precisione che sono legati ai rigidi vincoli dimensionali dovendo l'intero meccanismo essere collocato in una struttura cilindrica con circa il diametro di una cannuccia.

Prospettive della ricerca

"In questo approccio multidisciplinare, siamo riusciti a sfruttare la nostra capacità di prototipare rapidamente complessi meccanismi microrobotici che abbiamo sviluppato negli ultimi dieci anni per fornire ai medici una soluzione non distruttiva che potrebbe consentire loro di far progredire le possibilità di interventi chirurgici minimamente invasivi in il corpo umano con un impatto che altera la vita o potenzialmente salva la vita ", ha spiegato Wood.

Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation e dal Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering.

 

Fonte: foto, Wyss Institute presso Harvard University, Comunicato stampa di Benjamin Boettner del Wyss Institute.

 

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    chirurgia con robotlaser
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