Minirobot e ‘real time augmented reality’ per procedure neurochirurgiche minimamente invasive: individualized precision neurosurgery by transfer of image-based pre-operative planning data into the surgical and/or interventional situs and their utilization for intra-operative navigation (2007)

Starting date
January 1, 2007
Duration (months)
24
Departments
Neurosciences, Biomedicine and Movement Sciences
Managers or local contacts
Gerosa Massimo
URL
20075NCBTZ_001
Keyword
CHIRURGIA ROBOTICA;REALTÀ VIRTUALE IN NEUROCHIRURGIA;INTERFACCIA APTICA;PIANIFICAZIONE PREOPERATORIA

L’obiettivo del progetto di ricerca è quello di dare un contributo significativo alla “Chirurgia assistita da calcolatore e robot” (CRAS), sviluppando metodologie di base e tecnologie applicative comuni alle procedure chirurgiche minimamente invasive in ambito neurochirurgico e dimostrando i risultati scientifici con una prova di concetto. Il progetto sarà incentrato su due aspetti principali di CRAS, e cioè la visualizzazione continua di dati anatomici e l'uso di robot chirurgici di piccole dimensioni. Questi robot, in combinazione con le tecniche di visualizzazione avanzata proposte, creeranno dei veri strumenti chirurgici intelligenti. La tecnologia che si intende utilizzare in questo progetto è in via di sviluppo in Israele da una collaborazione tra il Technion e la Mazor Inc. I robot sono dei piccoli cilindri di circa 8x10cm e pesano circa 250-300g. Ad essi verrà aggiunta un’interfaccia manuale che permetterà al chirurgo di muovere il robot con le dita come se fosse uno strumento chirurgico. Se il chirurgo non può azionare direttamente i robot, potrà farlo in maniera remota, tramite teleoperazione. Nel dettaglio, gli obiettivi sono i seguenti:
Visualizzazione dei dati. Si vuole permettere una pianificazione chirurgica basata sulla selezione di parti di organo estratte dalle immagini radiologiche. Questo risultato si può ottenere sviluppando soluzioni innovative nelle aree seguenti: (a) segmentazione interattiva delle lesioni e dell’organo, (b) selezione di vasi sanguigni, (c) ispezione, (d) resezione virtuale, (f) accettazione dei risultati.
Modelli di Organi. Le proprietà meccaniche di un organo sono importanti quanto quelle visive per identificare le possibili lesioni. Infatti, i movimenti di un organo deformabile devono essere simulati tenendo conto delle loro proprietà fisiche, per compensare gli spostamenti dovuti a compressione e ad una naturale motilità. Quindi svilupperemo dei metodi per la simulazione di oggetti deformabili in presenza di contatti multipli.
Pianificazione pre-operativa. I metodi di pianificazione in uso non tengono conto delle deformazioni dell’ organo per valutarne il movimento dovuto al cambiamento di posizione del paziente e all’inserzione degli strumenti. Quindi svilupperemo dei metodi di pianificazioni basati sulla simulazione dell’organo, e li integreremo con vari tipi di immagini (MRI, US) intra-operatorie per guidare i robot in tempo reale.
Registrazione. Questa è la fase che permette di determinare un sistema di riferimento comune tra le immagini pre-operatorie e quelle intra-operatorie. Nel caso di strutture rigide una registrazione tradizionale è sufficiente. Nel caso di un organo deformabile, invece, si deve ricorrere ad una registrazione deformabile combinata con l’osservazione in tempo reale dell’organo. Si svilupperanno dei metodi generali di registrazione per oggetti rigidi e deformabili e verranno adattati alle esigenze dei robot miniaturizzati.
Interfacce aptiche. Passando dalla chirurgia tradizionale a quella endoscopica e alla robotizzata, i chirurghi sperimentano una perdita progressiva delle sensibilità cinestetica. Questo obiettivo intende sviluppare dei metodi e un’interfaccia aptica in grado di rendere le sensazioni dei contatti multipli e permettere la teleoperazione dei robot.
Strumenti sensorizzati. Le proprietà fisiche di un organo devono essere misurate per validare i modelli anatomici e i cambiamenti tra una situazione ex-vivo ed una in-vivo. Verranno sviluppati quindi dei micro sensori che permetteranno di misurare le proprietà biomeccaniche dell’organo.
Sistema di posizionamento. I robot miniaturizzati dovranno essere posizionati accuratamente nel campo chirurgico per permettere una corretta esecuzione del piano operatorio. Per questo motivo verrà sviluppato un sistema di sostegno e posizionamento non intrusivo dei robot, che permetterà al chirurgo di muovere facilmente i robot allineati e registrati al momento dell’operazione.
Dimostratore di neurochirurgia. Gli obiettivi scientifici appena indicati verranno dimostrati in un simulatore di biopsia al cervello. Questo sistema inserirà una sonda usando i dati di pianificazione ricavati da immagini TAC e MRI. Utilizzerà un robot in miniatura (MARS, prodotto da Mazor Inc.), montato direttamente sulla teca cranica o sulla testiera. Il sistema includerà la registrazione pre-operatoria, l’acquisizione dati intra-operatoria, il posizionamento di precisione del robot ed un’interfaccia aptica.

Sponsors:

Ministero dell'Istruzione dell'Università e della Ricerca
Funds: assigned and managed by the department
Syllabus: COFIN - Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale

Project participants

Massimo Gerosa
Research Assistants

Activities

Research facilities