Design and control of a multi-purpose robotic end-effector for Endoscopic Lumbar Discectomy (ELD) surgery

A key advantage of implementing robotic systems in surgery is the ability to perform tasks more accurately and reliably than is humanly possible. Especially in minimally invasive surgery, which suffers from a lack of direct line-of-sight to the surgical window and the presence of numerous devices to be operated simultaneously, collaborative robotics techniques can make a great contribution in the operating room. For example, endoscopic lumbar discectomy (ELD) is a surgical technique that involves the spine, aimed at relieving stress on the spinal canal with a minimally invasive approach. The procedure is complex as surgeons are required to handle various instruments such as the endoscope, working-tube, dilator, etc. in the vicinity of critical and fragile structures such as the spinal canal. A challenge for the use of robotic systems in this environment is that they must allow for the manipulation of the instrumentation, guaranteeing the possibility of its rapid exchange and reliable control by the surgical operators. In this context, this thesis addresses the development of a robotic end-effector for endoscopic lumbar discectomy (ELD) operations with a collaborative approach based on the interaction of two surgical robots and the medical team in the operating room. From the analysis of the force data, obtained in the test phases of the previous prototype, come the guidelines that constitute the basis for the design of the new device. Several conceptual designs are evaluated and, of these, three are taken through each stage of production, starting with the definition of the specifications, through CAD modelling and the selection and production of the components, to the assembly of the new prototypes and their functional testing with the surgeon. Parallel to the design of the end-effector, the design and prototyping of a robotic soft-gripping system for handling the fragile medical instrumentation used during surgery is also addressed.

Un vantaggio fondamentale dell’implementazione di sistemi robotici nella chirurgia è rappresentato dalla possibilità di eseguire compiti in maniera più accurata e affidabile rispetto a quanto sia possibile per l'uomo. Soprattutto nella chirurgia mini-invasiva, che pecca di una mancanza di linea visiva diretta con la finestra chirurgica e della presenza di numerosi dispositivi da gestire simultaneamente, le tecniche di robotica collaborativa possono apportare un grande contributo all’interno della sala operatoria. Tra gli esempi, la discectomia lombare endoscopica (ELD) è una tecnica di chirurgia che interessa la colonna vertebrale, finalizzata all’alleviamento dello stress sul canale spinale con un approccio minimamente invasivo. La procedura è complessa in quanto ai chirurghi è richiesto di maneggiare diversi strumenti, quali l’endoscopio, il working-tube, il dilatatore ecc. in prossimità di strutture critiche e fragili, come il canale spinale. Una sfida per l'impiego di sistemi robotici in questo ambiente è che essi devono consentire la manipolazione della strumentazione, garantendo la possibilità del suo scambio rapido e di un controllo affidabile da parte degli operatori chirurgici. In questo contesto, la presente tesi affronta lo sviluppo di un end-effector robotico per operazioni di discectomia lombare endoscopica (ELD) con un approccio collaborativo basato sull’interazione di due robot chirurgici e dell’equipe medica in sala operatoria. Dall’analisi dei dati di forza, ottenuti nelle fasi di test del precedente prototipo, originano le direttive che costituiscono il fondamento per la progettazione del nuovo dispositivo. Vengono valutati diversi design concettuali e, tra questi, tre vengono approfonditi attraverso ogni fase della produzione, a partire dalla definizione delle specifiche, passando per la modellazione al CAD e per la scelta e la produzione dei componenti, fino all’assemblaggio dei nuovi prototipi e al test funzionale degli stessi con il chirurgo. Contestualmente alla progettazione dell’end-effector, viene affrontata l’ideazione e la prototipazione di un sistema di soft-gripping robotico per la manipolazione della fragile strumentazione medicale impiegata durante l’operazione chirurgica.