Prospettive della chirurgia robotica e della telechirurgia

IL Progetto Strategico del CNR si inserisce nello sviluppo della robotica chirurgica per favorire la diffusione e l'applicazione dei risultati della ricerca italiana in sede internazionale.

Sviluppo delle prove sperimentali di certificazione

Il Progetto presenta le nuove possibilità diagnostiche e terapeutiche che la robotica e le telecomunicazioni sono in grado di offrire. Oggi circa settecentomila robot nel mondo sono in attività, con le più svariate applicazioni, per compiti anche non industriali.

Alla fine degli anni '60 i robot erano poche decine. Oggi i robot per la chirurgia sono circa 300. La chirurgia può indicare le funzioni che potrebbero essere svolte da un robot; partendo dalle richieste specifiche, si può scegliere o inventare il robot più adatto, che si applica con le interfacce grafiche, i calcolatori di elaborazione, le banche dati di gestione. L'esperienza acquisita nel Progetto e nella costruzione di robot per sofisticate operazioni industriali può essere trasferita nella medicina e nella chirurgia. La presenza dell'essere umano, sia come chirurgo sia come paziente, rende il compito più difficile e significativo. Oggi la robotica chirurgica appare come un'applicazione di frontiera; tra pochi anni, forse con morfologie nuove di robot per ben definite applicazioni, nulla impedisce di presumere che divenga attività quotidiana.

Le parole "chirurgia" e "robotica" presentano un'analogia etimologica. Chirurgia è operatività con le mani (radici: chein, mano, e ergon, lavoro, in greco). La etimologia di robot è legata alla parola slava con radice raboti, cioè lavoro.

La robotica esiste come integrazione scientifica di meccanica, elettronica, informatica, sensoristica, controllistica. La chirurgia utilizza anche l'elaborazione delle immagini, la visione endoscopica e l'uso di strumenti ed apparecchi tecnologicamente diversi dai tradizionali. La chirurgia laparoscopica per prima ha coinvolto il chirurgo in un ambiente nuovo, con un'immagine del campo operatorio non solo reale ma anche virtuale. Il monitor riporta l'immagine vista dalla endocamera, inserita nel corpo del paziente.

Robot articolato per il progetto "Roboscala": il robot articolato è polifunzionale ed è in grado di eseguire il prelievo per la biopsia della prostata, il prelievo di tessuti nel fegato, la biopsia del seno e il prelievo di midollo per trapianto

Nel 1993 la FDA (Food and Drug Administration) degli Stati Uniti ha concesso l'autorizzazione ad operare chirurgicamente con un robot per l'applicazione semiautomatica di una protesi d'anca. Il progettista del sistema è stato l'ing. Robert Paul, deceduto nel gennaio 1993, mentre il chirurgo che ha sviluppato le sperimentazioni, prima su cavie ed, in seguito, sull'uomo, è stato il dr. William Bargar, del Sutter Hospital di Sacramento. Il robot della Sankyo lavora con una piccola fresa veloce l'estremità dell'osso femorale e permette un adattamento ottimo della protesi, con un ampio e ben accoppiato contatto tra le superfici (fino al 90% di contatto superficiale). Un calcolatore elabora i dati pre-operatori del paziente e, attraverso simulazione grafica, suggerisce il tipo di protesi d'anca (forma, dimensione della testa, disposizione all'interno del femore) per l'operazione. La sicurezza al 100% sulle operazioni, ripetute con cadenza costante in laboratorio su cavie e con successo, ha permesso l'adozione del sistema.

La chirurgia robotica ha mostrato alcune applicazioni nell'uso di robot passivi in neurochirurgia stereotassica. I calcolatori trasmettono informazioni sulle condizioni di punti del cervello e, attraverso l'elaborazione delle immagini fornite da TAC, posizionano l'estremità di un robot. Va tenuta in conto primario la affidabilità delle operazioni robotizzate, poiché la sicurezza rappresenta il vero vincolo per la robotica chirurgica, laddove essa è ragionevolmente applicabile.

Le leggi sulla sicurezza nell'Unione Europea stanno diventando obbligatorie. Dal 1995 è obbligatoria anche una certificazione di garanzia su macchine e sistemi, a protezione sia dell'utilizzatore sia del costruttore, affermata nella Direttiva Macchine.

Oggi il criterio del calcolo del rischio usa dati quantitativi più validi dei vecchi criteri di sicurezza assoluta. Il valore numerico più utilizzato è l'MTBF (Mean Time Between Failure), cioè il tempo medio intercorrente tra due guasti. In base a questo valore si può definire la sicurezza di un sistema. Se tale tempo medio è fortemente superiore alla vita della macchina, allora il sistema offre una sua sicurezza intrinseca. Il sistema chirurgico può accettare questo criterio che nasce dalla cultura ingegneristica. Ne consegue che l'ingegneria, e la robotica in particolare, devono ottenere con chiarezza dalla medicina le richieste relative alle applicazioni possibili, nelle quali si deve provvedere alla sicurezza al massimo livello.

Il robot è adatto nei casi in cui le funzioni da eseguirsi richiedono:

* abbreviazione della durata di alcune fasi elementari, che esigono precisione e accuratezza;

* esecuzione di compiti elementari, con controllo a distanza del processo automatico.

La chirurgia è opera anche di manualità e nessun robot per ora riesce a simulare la destrezza e flessibilità della mano umana del chirurgo. L'impiego degli strumenti più sofisticati, come avviene in chirurgia video-endoscopica, e di robot, come è avvenuto recentemente, permette un'applicazione di tecnologie nuove in operazioni che restano per molti aspetti di tipo tradizionale.

La chirurgia laparoscopica e la chirurgia toracoscopica sono operazioni rispettivamente all'interno dell'addome e del torace, nei quali si introducono gli strumenti attraverso due o più fori, osservando il campo operatorio con una micro telecamera inserita attraverso un ulteriore foro. Circa 80 robot per laparoscopia sono utilizzati attualmente in sala chirurgica negli Stati Uniti, con la funzione di sostenere la telecamera e muoverla: il chirurgo aziona il robot con uno speciale pedale, ed in tal modo non è distratto nella sua operatività manuale. I robot usati per l'applicazione di protesi d'anca sono comandati da un programma software, si muovono su traiettorie che vengono continuamente verificate e controllate mediante punti di riscontro e di riferimento, per garantire la correttezza dei movimenti. Robot per la stereotassi sono usati nella chirurgia del cervello e permettono una grande precisione operativa. Si vanno iniziando sperimentazioni per la chirurgia robotizzata dell'occhio, in particolare con un piccolo telerobot costruito dal Laboratorio del JPL della NASA per il Centro Ospedaliero di Memphis, USA.

La chirurgia robotica è nata dall'applicazione di robot industriali per operazioni, ove è richiesta una grande precisione di posizionamento ed una bassa capacità manuale. Per gli attuali robot si hanno programmi che non sono in grado di gestire le variazioni delle condizioni operatorie, salvo di fronte alle emergenze: in tale caso il robot si arresta e si sposta dal campo operatorio, lasciando via libera all'assistente chirurgo per l'intervento. Si tratta, quindi, di un servizio di assistenza al chirurgo.

Le prospettive della chirurgia robotica sono molto aperte, se si stabiliranno le regole di comportamento dei robot, accettati dai Comitati Etici degli Ospedali, e contemporaneamente, se si affideranno ad una "carta tecnica" del robot le sue certificazioni di affidabilità, confortate da opportune serie di prove sperimentali. Inoltre, è necessario preavvisare il paziente sul tipo di intervento che sarà reso necessario ed, insieme con il suo consenso, avere anche la sua cooperazione, qualora l'operazione avvenga in anestesia parziale, perché il robot rappresenta una struttura in movimento e, quindi, può inquietare il paziente sotto operazione.

Robot per il prelievo nella biopsia della prostata; il robot porta un ago; il punto di prelievo è rilevato attraverso l'ecografo collegato alla sonda ecografica. Il robot esegue il prelievo

Dietro il concetto di "robot" vi sono decenni di cultura "fantascientifica"; sebbene i robot oggi siano più simili a grossi giocattoli che non ad androidi, la loro natura può apparire inquietante ed è perciò opportuno realizzare macchine con un design che sia particolarmente amichevole.

La ricchezza della robotica, intesa come scienza di assistenza alla chirurgia, è dovuta alla ripetibilità delle esecuzioni, alla loro precisione, alla loro assoluta documentabilità, su nastro magnetico o su dischetto. Un secondo aspetto riguarda le possibilità tecnologiche attuali, offerte dalle comunicazioni via cavo, con satellite, via telefono, con modem, via ISDN (con reti a fibre ottiche). Mezzi multipli di comunicazione supportati da centrali di ascolto e di intervento stanno rendendo possibile una gestione informatica della cura del paziente, con trasmissione di dati, di immagini, di voce e di segnali, per diagnosi e terapia. Migliora la tecnologia dell'elaborazione delle immagini mediche, fornite da macchine per tomografia, a risonanza magnetica nucleare, ad effetto Doppler, ad ultrasuoni, con laser a scansione. La telecomunicazione del software permette l'invio di procedure di analisi di immagini e di dati clinici mediante reti Internet, che possono usare normali calcolatori da studio e ufficio. Sta diventando sempre più reale il mondo come città unica, collegata da comunicazioni ipermediali.

La telechirurgia offre prospettive che implicitamente sono più impressionanti, poiché la comunicazione a distanza delle informazioni e dei dati, dei segnali e delle immagini, e anche dei comandi digitali dei robot, viaggia ora su fibre ottiche, su reti ISDN e ATM che trasferiscono sequenze di dati in tempi estremamente brevi, legati alla velocità della luce. La telecomunicazione e la telematica trascinano con grande impeto i settori della telemanipolazione. I telemanipolatori per le applicazioni nucleari sono sistemi a controllo remoto, con distanze tra operatore e manipolatore di alcune decine di metri. La distanza è cresciuta con i primi telerobot per lo spazio: decine di migliaia di chilometri separano le stazioni a terra dai sistemi robotici spaziali.

Per la chirurgia telerobotica, destrezza e precisione devono essere massime: protagonista è il paziente uomo e, di conseguenza, ogni prestazione della macchina deve essere dotata della massima affidabilità e qualità scientifica e tecnica.

È cambiata la strategia nella telerobotica medica e chirurgica: un robot, che opera sul paziente, richiede sempre un assistente esperto nella zona operatoria, per intervenire in caso di emergenza.

Il nuovo vantaggio è che le telecomunicazioni permettono di unire più medici in una rete integrata: ognuno di essi, davanti al proprio terminale, può comunicare con gli altri, e chiedere di agire mediante il robot. La stazione operatoria può essere collocata in ogni parte del mondo, purché raggiungibile con una antenna satellitare, o con un semplice terminale telefonico a fibre ottiche. I dati e le immagini possono essere condivise, anche le opinioni possono essere scambiate, a costi accettabili.

La telechirurgia permette un intervento a distanza, e le capacità della telerobotica chirurgica dipendono sempre più dalla struttura del robot e dalla flessibilità del software.

La telerobotica chirurgica può essere una tecnologia di assistenza per molti interventi: dal prelievo di sangue in pazienti lontani dai centri medici ad operazioni di primo intervento con ambulanze telerobotizzate, come sta realizzando l'Esercito americano. Un esempio può essere il prelievo di sangue in malati con forme contagiose o addirittura con AIDS: la telerobotica può rendere perfettamente affidabile questa operazione. Inoltre, anche operazioni semplici, in località quasi inaccessibili, come ad esempio nel centro dell'Africa, possono essere eseguite da un chirurgo che risieda in altra sede, il quale, di fronte allo schermo di un calcolatore, può impartire gli ordini ad un robot, con un software opportuno che realizza il movimento del robot.

Un esempio di sviluppo pratico di telerobotica chirurgica: il primo settembre 1995, alle ore 10.55, dal Politecnico di Milano, Laboratorio di Telerobotica, un chirurgo, il Professor Enrico Pisani, Direttore dell'Istituto di Urologia del Policlinico di Milano, ha azionato un robot nel suo Istituto, con un collegamento via fibre ottiche in rete ISDN, per una distanza tra paziente e chirurgo di circa 10 chilometri. Il paziente ha subìto una biopsia prostatica, telerobotizzata, in anestesia totale.

L'intervento sul paziente umano è stato eseguito dal robot assistente dopo più di 1200 prove di simulazione su modelli, con l'identica procedura e, dopo tre anni di test su manichini, con chirurgia robotica, per rendere affidabile il sistema ed escludere al massimo grado possibile ogni eventualità di deficienza tecnica delle macchine e del software. L'intervento è stato realizzato durante il "IX World Congress on the Theory of Machines and Mechanisms", davanti a scienziati provenienti da 51 Paesi, per rendere quanto più trasparente il nuovo rapporto tra robotica, telerobotica e salute, in una visione di autenticità nel miglioramento della qualità della vita.