Biomed CuE | Close-up Engineering
La chirurgia robotica è ormai una pratica piuttosto diffusa e sicuramente affidabile. Grazie al famoso sistema Da Vinci sono già state realizzate numerose operazioni anche molto complesse. Questa tecnica si basa sull’impiego di robot che vengono guidati dal chirurgo nell’esecuzione di una serie di comandi, mentre le braccia robotizzate eseguono i compiti impartiti con massima precisione e affidabilità. Ma questo approccio vede ora un nuovo sviluppo: la chirurgia robotica autonoma. In questa nuova metodologia l’intervento umano è ridotto al minimo e il robot risulta in grado di svolgere l’intera operazione in indipendenza e con massima precisione. STAR è l’ultima realizzazione in questo ambito e si è fatto notare perché è stato il primo a eseguire un intervento in laparoscopia in autonomia.
L’autonomia dei robot in chirurgia
I robot impiegati in applicazioni mediche vengono classificati in base al loro grado di autonomia (level of autonomy, LoA), che varia dalla teleoperazione alla completa indipendenza. In seguito viene elencata la suddivisione in categorie:
LoA 0: nessuna autonomia, ovvero teleoperazione, in pratica i bracci robotici sono completamente guidati dal medico;
LoA 1: assistenza robotica, ovvero il controllo dell’operatore è costante, ma il robot interviene con aggiustamenti o vincoli;
LoA 2: autonomia di task, ovvero il robot può eseguire alcune determinate procedure senza il controllo continuo del medico;
LoA 3: autonomia condizionata, ovvero l’operatore deve scegliere tra una serie di procedure o approvarle;
LoA 4: elevata autonomia, in cui il robot può prendere decisioni anche complesse, ma sotto la supervisione di un medico;
LoA 5: completa autonomia, ovvero non c’è alcun bisogno di intervento umano nell’operazione.
Il concetto di autonomia in questo settore, quindi, non significa strettamente che i robot operano senza nessun intervento umano. Data la complessità delle applicazioni risulta ancora necessaria almeno la supervisione dei clinici. Questi quindi non vengono sostituiti dai robot, ma assistiti per l’esecuzione di interventi con massima precisione e ripetibilità.
Come funziona STAR, il robot che opera in autonomia
STAR, acronimo di Smart Tissue Autonomous Robot, è il robot progettato all’università americana Johns Hopkins. La versione attuale deriva da migliorie eseguite su un precedente modello del 2016 che era stato utilizzato per le operazioni su intestini di maiale. I limiti principali di questo strumento erano la necessità di incisioni molto estese e il bisogno di un consistente intervento umano. Nel suo ultimo assetto STAR risulta dotato di un braccio per la realizzazione di suture e di un sistema di videocamere per la ricostruzione 3D del tessuto. L’esecuzione dell’intervento in questione consiste in una valutazione iniziale da parte del sistema. A questo segue la progettazione di una serie di piani tra cui il medico può scegliere. Una volta iniziato il chirurgo può intervenire per correggere eventuali errori, ma la maggior parte della procedura viene eseguita in autonomia, in particolare in una percentuale dell’83%.
STAR durante l’intervento. Credit: Johns Hopkins University
STAR ha correttamente condotto un intervento in laparoscopia su quattro maiali. La procedura in questione è una tra le più complicate della chirurgia gastrointestinale e prevede la riconnessione di due termini di intestino. La precisione richiesta in questo tipo di operazione è massima. Servono infatti anastomosi perfette e il minimo tremore o anche solo una lieve imprecisione possono compromettere gli esiti, con complicazioni anche molto gravi per i pazienti. I risultati evidenziati dagli sviluppatori dimostrano che il sistema robotico sarebbe in grado di realizzare questo tipo di intervento con le stesse capacità di un chirurgo esperto in termine di tenuta e pervietà e con un’elevata coerenza nei risultati.
STAR è stato progettato per i tessuti molli
Esistono già alcuni robot in grado di operare in autonomia, ma tutti questi sono stati progettati per il tessuto osseo o similari. STAR, invece, è stato sviluppato ad hoc per i tessuti molli, un campo della chirurgia molto complesso, data la sua elevatissima imprevedibilità. In questo tipo di struttura va infatti contemplata un’alta deformabilità e, nel caso preciso della laparoscopia, va tenuta in conto anche la scarsa visibilità che si ha nel corso dell’intervento. Il campo di applicazione di STAR è quindi molto complesso, in quanto una completa pianificazione preoperatoria non è contemplabile come nella realizzazione di operazioni su tessuti duri, in cui la variabilità è molto più bassa.
È necessario quindi un robot intelligente, in grado di adattarsi in tempo reale a eventuali imprevisti. STAR, grazie al proprio sistema di controllo, riesce in questa missione. Durante la realizzazione dell’anastomosi, infatti, il robot effettua dei controlli periodici per verificare la deformazione del tessuto e nel caso di spostamenti superiori ai 3 mm propone nuovi piani chirurgici all’operatore. Inoltre è auspicabile una futura implementazione del sistema in cui risulterà possibile l’individuazione e correzione automatica di eventuali errori nel corso della realizzazione dell’intervento, senza bisogno di supporto del chirurgo.
Tra innovazione e sfide
Allo stato attuale STAR ha ovviamente bisogno di ulteriori studi e migliorie per poter essere utilizzato su pazienti umani. La versione utilizzata per questo intervento, inoltre, risulta adatta solo a un limitato numero di regioni corporee. In una prospettiva di più ampio impiego, invece, sarà necessario prevedere delle modifiche in modo da rendere possibile l’utilizzo in più aree. Non si tratta di limiti insuperabili, ma comunque c’è ancora bisogno di un consistente lavoro per la completa ottimizzazione di questo robot.
Axel Krieger, uno dei professori coinvolti nel lavoro di rircerca, è comunque già convinto del successo di STAR. Ha infatti affermato che una procedura come la realizzazione di anastomosi è un campo di impiego perfetto per i robot. Gli elementi necessari in questo ambito sono infatti precisione e ripetibilità, caratteristiche che possono essere ottenute con miglior successo con i robot piuttosto che con l’intervento umano. Ha ipotizzato anche un futuro in cui l’esecuzione di questo tipo di intervento sarà più “democratica”, nel senso che gli esiti saranno costanti, prevedibili e coerenti proprio grazie all’impiego di questi nuovi sistemi.
Studentessa magistrale di Ingegneria Biomedica presso il Politecnico di Milano. Le mie più grandi passioni sono i viaggi, lo sport, la montagna e la scienza.
