Chirurgia vertebrale con utilizzo del sistema robotico ExcelsiusGPS

This thesis provides an integrated analysis of the operation, architecture, and clinical workflow of the ExcelsiusGPS robotic system. The work combines engineering perspectives with clinical applications, developing a comprehensive framework that encompasses the robot's mechanical structure, axis kinematics, intraoperative imaging management, registration protocols, and image-guided navigation procedures. From a technical standpoint, the thesis examines the manipulator's geometry, the definition of reference frames and their relational models, and the creation of CAD models for the components, including the estimation of the device's actual dimensions. It also analyzes the role of optical tracking systems and coordinate transformations between patient space, robot space, and image space. A central section of the thesis focuses on spinal surgery, presenting insights gained during the internship alongside theoretical knowledge from master's courses and the literature. This section summarizes essential clinical principles, key pathologies requiring surgical intervention, and commonly used techniques—distinguishing between instrumented and non-instrumented surgery—while reflecting on the growing role of robotics and augmented reality in enhancing precision and standardizing surgical workflows. This section also details twelve clinical cases observed at the facility; although the sample size is limited, these cases provide a realistic overview of the conditions treated and therapeutic choices made, offering a general analysis of clinical characteristics and the practical implications of using the robot in the operating room. Finally, regarding clinical operations, the last part of the work describes the complete workflow of a typical procedure: patient preparation, CT or fluoroscopic image acquisition, image import and segmentation, trajectory planning, robot docking, mechanical stability verification, execution of the guided procedure, and final assessment. Particular attention is paid to safety requirements, relevant standards, and component sterilization procedures, alongside a critical analysis of the regulatory implications of using the robot in the operating room.

La presente tesi analizza in modo integrato il funzionamento, l’architettura e il workflow clinico del sistema robotico ExcelsiusGPS. Il lavoro combina prospettiva ingegneristica e applicazione clinica, sviluppando un quadro completo che comprende la struttura meccanica del robot, la cinematica dei suoi assi, la gestione dell’imaging intraoperatorio, i protocolli di registrazione e le procedure di navigazione guidata. Dal punto di vista tecnico, la tesi approfondisce la geometria del manipolatore, la definizione dei frame di riferimento e del modello che li mette in relazione, la costruzione dei modelli CAD dei componenti includendo la stima delle misure reali del dispositivo. Viene inoltre analizzato il ruolo dei sistemi di tracking ottico, la trasformazione delle coordinate tra spazio del paziente, spazio del robot e spazio dell’immagine. Una sezione centrale della tesi è dedicata alla chirurgia vertebrale, presentata attraverso le conoscenze maturate durante il tirocinio e integrate con gli approfondimenti teorici dei corsi magistrali e della letteratura. In questa parte vengono sintetizzati i principi clinici essenziali, le principali patologie che richiedono trattamento chirurgico e le tecniche più utilizzate, distinguendo tra chirurgia strumentata e non strumentata, con una riflessione sul ruolo crescente della robotica e della realtà aumentata nel miglioramento della precisione e della standardizzazione dei workflow operatori. Nella stessa parte viene inoltre riportata la descrizione dei dodici casi clinici osservati in struttura, che, pur costituendo una casistica limitata, permettono di delineare un quadro realistico delle condizioni trattate e delle scelte terapeutiche, offrendo una analisi generale delle caratteristiche cliniche e delle implicazioni pratiche dell’impiego del robot in sala operatoria. Sul versante clinico-operativo, nell'ultima parte del lavoro si descrive il workflow completo di una procedura tipo: preparazione del paziente, acquisizione TC o fluoroscopica, importazione e segmentazione delle immagini, pianificazione delle traiettorie, docking del robot, verifica della stabilità meccanica, esecuzione della guida e controllo finale. Particolare attenzione è dedicata ai requisiti di sicurezza, alle normative di riferimento e alle procedure di sterilizzazione dei componenti, con un’analisi critica delle implicazioni regolatorie per l’utilizzo del robot in sala operatoria.