Guidato da feedback in tempo reale, il robot è in grado di posizionare una sonda ecografica interstiziale ad alta energia focalizzata esattamente sul tumore, producendo ottimi risultati a livello chirurgico e un esito ideale per il paziente. Naturalmente, la creazione di un robot in grado di operare all’interno degli elevati campi magnetici generati da una RMI non è stata semplice, ma grazie ad una sofisticata ingegneria di controllo e ai posizionatori piezoelettrici di FAULHABER, il team di Worcester è riuscito a realizzare un sistema che promette di rivoluzionare le possibilità di trattamento con RMI.
La progettazione di apparecchiature chirurgiche è un processo colmo di sfide. I sistemi devono essere accurati e ripetibili, con una risoluzione ultra elevata. I loro componenti elettrici devono essere silenziosi. Soprattutto, devono essere affidabili. Nel caso del robot per l’RMI, il team del Professor Fischer ha dovuto affrontare un’altra enorme sfida: fornire tutte queste caratteristiche in un sistema che potesse funzionare in campi magnetici di diversi tesla.
Il potente campo magnetico generato da un’apparecchiatura RMI trasforma in pericoli perfino piccoli oggetti ferromagnetici come le viti, per non parlare dei dispositivi di movimento come i motori a magneti permanenti, i riduttori e gli attuatori. Fin dal principio, era evidente che il robot per l’RMI avrebbe dovuto basarsi su un azionamento non convenzionale. La risposta si è rivelata essere un dispositivo piezoelettrico.
Il movimento in un ambiente magnetico
Gli attuatori piezoelettrici si basano su una ceramica piezoelettrica che si espande quando viene applicata una tensione. Il problema è che lo spostamento introdotto dall’effetto piezoelettrico equivale solamente a una frazione dell’un percento della grandezza del componente, mentre il robot per l’RMI richiede fino a 100 mm di corsa lineare o una rotazione continua di 360 gradi. Il team del WPI ha trovato la soluzione grazie ai motori Piezo LEGS di FAULHABER.
Le unità sono dotate di una serie di gambe di azionamento bimorfiche costruite in modo da flettersi e allungarsi leggermente quando viene applicata una tensione.
In pratica, sono azionate a coppie alterne riuscendo così a far “avanzare” un’asta di trasmissione a passi nanometrici con una velocità di 15 mm/s (o da far ruotare un disco nel caso del movimento rotatorio). Il fatto che ci sia sempre un set di gambe in contatto con l’attuatore in qualsiasi momento conferisce a questi attuatori una sicurezza intrinseca (poiché hanno un effetto frenante quando non alimentati) con i motori che forniscono una forza di stallo (forza di tenuta) fino a 10 N.
Il robot del team di Worcester è composto da un modulo per le traslazioni lungo gli assi X, Y, Z e due moduli di rotazione che corrispondono agli angoli sull’arco di un casco stereotassico. I design futuri prevedranno un maggiore grado di libertà per permettere l’inserimento e la rotazione di una cannula e di uno stiletto.
Per generare il movimento lineare, il team ha usato una combinazione di motori lineari Piezo LEGS all’interno di un azionamento diretto per l’inserimento di aghi, e di motori rotativi Piezo LEGS per far ruotare delle viti conduttrici in alluminio. Per il movimento rotatorio, hanno usato pulegge personalizzate stampate in 3D e catene di distribuzione rinforzate in gomma o fibre di vetro.
Sebbene le masse coinvolte siano piccole, i materiali generano una frizione maggiore rispetto ai design convenzionali e, di conseguenza, necessitano di una coppia più elevata per produrre il movimento, e i motori piezoelettrici ne sono in grado. “In molte applicazioni, è possibile cavarsela con un motore piezoelettrico e un azionamento diretto o un’elevata riduzione della puleggia”, afferma Fischer. “Non c’è bisogno di riduzioni del rapporto di trasmissione da 100:1 come magari è necessario con un piccolo motore C.C.”.
I motori Piezo LEGS si sono rivelati la giusta soluzione per il progetto del WPI. “Ci sono attuatori piezoelettrici che producono al massimo 1 mm di movimento”, continua Fischer. “Sono davvero poche le aziende in grado di fare meglio. Queste aziende offrono motori rotativi o moduli che spingono contro l’asta di trasmissione ma poi in realtà bisogna progettare intorno a loro un intero dispositivo ad hoc. In termini di motori compatti e autonomi, non ho visto nulla che possa competere con i prodotti di FAULHABER".
Le sfide legate al controllo
L’attuatore piezoelettrico richiede solamente piccolissimi elettrodi conduttivi che non devono essere né magnetici né ferrosi, e proprio per questo sono sicuri da usare negli ambienti RMI. In questa applicazione, tuttavia, "sicuro" non era abbastanza. In effetti, il rumore elettrico generato dall’alimentazione o dalle elettroniche di controllo potrebbe magari alterare l’immagine vanificando l’obiettivo perseguito. “Spesso si verificano artefatti come con scariche statiche”, afferma Fischer. “La combinazione di rumore elettrico e materiali non compatibili con l’RMI può realmente deformare l’immagine e, di conseguenza, fare in modo che le cose non appaiano dove uno se le aspetta. Questo rappresenta un problema enorme se si sta cercando di condurre un intervento basandosi sulle immagini”.
Ovviamente, l’applicazione richiedeva delle elettroniche speciali. Al contempo, per via della sua natura, il motore piezoelettrico esigeva una forma d’onda di azionamento sofisticata. In risposta a questo, il team del Professor Fischer ha sviluppato un pacchetto di controllo personalizzato per far funzionare i motori piezoelettrici nello scanner per l’RMI. Il team ha programmato un FPGA (Field Programmable Gate Array) per regolare la frequenza e la fase relative delle forme d’onda del segnale di comando. Dei convertitori digitale/analogico ad alta velocità permettono un controllo temporale preciso della forma d’onda, mentre degli amplificatori lineari con elevata larghezza di banda e ad alto voltaggio permettono al controllore di sintetizzare il segnale di comando esatto necessario per produrre il movimento. Dei filtri esterni eliminano il rumore, e il feedback dell’encoder consente un controllo a circuito chiuso della velocità o della posizione da parte di un microcontrollore dotato di un circuito di controllo in tempo reale su scheda singola. Una scheda backplane modulare consente di combinare fino a otto di queste schede in un singolo alloggiamento schermato, situato insieme al robot dentro la sala dello scanner per l’RMI. Un cablaggio personalizzato collega il controllore al robot, consentendo fino a otto assi di controllo.
Certamente si trattava di una sfida di controllo che richiedeva coraggio, ma l’avere a disposizione un motore piezoelettrico stand-alone ha reso un meno difficile l’impresa. “Il fatto di avere un attuatore chiuso affidabile e pronto all’uso, lineare o rotativo, è stato un grande vantaggio”, afferma Fischer. “Questo ha permesso agli studenti di concentrarsi sulla progettazione del meccanismo meccanico e su quella della parte di controllo”.
Tuttavia, il progetto va ben oltre il robot chirurgico. L’obiettivo del Professor Fischer è quello di sviluppare una serie di strumenti che consentano di progettare robot compatibili per le RMI dotati di sensori, attuatori, controllori e amplificatori migliorati con protocolli di comunicazione. “In questo settore industriale si può acquistare un PLC, un motore, un encoder, collegarli fra loro e già si ha un apparecchio funzionante”, asserisce Fischer. “Non c’è nulla di simile per i dispositivi medici e, sicuramente, non c’è per l’RMI”.
A dimostrazione di questo approccio, il team sta lavorando a delle varianti del robot per l’RMI da impiegare in diverse applicazioni, tra cui: l’ablazione termica ad alta precisione del tumore cerebrale profondo, l’installazione di elettrodi di stimolazione cerebrale profonda per il trattamento del morbo di Parkinson, ma anche la biopsia e il trattamento locale mirato del cancro alla prostata guidati con RMI. “Aspiriamo a creare soluzioni compattissime e specifiche per le singole applicazioni, e tutte hanno alla base questi motori”, afferma. “Nel mio laboratorio ho praticamente tutti i motori piezoelettrici presenti sul mercato. Abbiamo perfino tentato di costruirne uno. Per noi gli attuatori di FAULHABER hanno la giusta grandezza con buoni range di forza, nonché ottimi range di coppia. Questi motori hanno dimostrato di avere complessivamente ottime prestazioni”.