Design e caratterizzazione di un generatore di campo elettromagnetico per la realizzazione di un sistema di localizzazione per applicazioni chirurgiche

La tesi presenta il risultato del lavoro congiunto svolto presso l’Istituto di Bio-Robotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pontedera (PI) e l’azienda MASMEC Biomed – MASMEC S.p.A. division – con sede a Modugno (BA). Lo scopo di questo lavoro di tesi è lo studio e il design di un generatore di campo elettromagnetico per un nuovo sistema di localizzazione (Electromagnetic Tracking System - EMTS) per applicazioni chirurgiche, in particolare nella chirurgia mini invasiva. In interventi di chirurgia mini invasiva il medico non ha la possibilità di osservare direttamente lo scenario in cui opera e quindi per orientarsi all’intero del corpo umano si serve di ottiche digitali e sistemi di localizzazione. Nello specifico il sistema di localizzazione fornisce al medico la posizione dello strumento all’interno del corpo del paziente, proprio come il GPS fornisce all’utente la posizione del proprio veicolo durante la marcia. Sebbene oggi, tra i sistemi di localizzazione chirurgica disponibili, quello ottico è il più utilizzato, la comunità scientifica mostra un sempre maggiore interesse per i sistemi di localizzazione elettromagnetica, visti come una valida soluzione alle limitazioni degli ottici. La trasparenza del corpo umano alle onde elettromagnetiche svincola il medico dal lasciare libera la linea di vista tra il generatore di segnale e l’oggetto da localizzare. Da uno studio dello stato dell’arte è emerso che il numero minimo di bobine per ottenere il tracking continuo di un sensore elettromagnetico è pari ad otto. È stata quindi trovata la configurazione ottimale per il posizionamento dei solenoidi nello spazio. Valendo il principio di sovrapposizione degli effetti, si è passati al dimensionamento della bobina, elemento radiante fondamentale, in maniera tale massimizzarne le performance dell’intero sistema. Varie simulazioni in ambiente COMSOL Multiphysics® v5.2 hanno permesso di determinare la combinazione migliore dei parametri della bobina tali da generare un campo magnetico, valutato ad un metro dalla sorgente, superiore a quello ottenuto nei lavori precedenti. Una controverifica tramite un modello analitico in MATLAB® ha confermato i risultati ottenuti in COMSOL, permettendo di passare così alla validazione sperimentale del modello della bobina. La bobina realizzata è stata testata in diverse condizioni di lavoro (DC e AC) e con diverse correnti di alimentazione. Tutte le prove eseguite hanno restituito dei risultati molto simili a quelli attesi, validando ulteriormente i modelli utilizzati in fase di dimensionamento. Si è passati poi al dimensionamento dell’intero generatore di campo formato dalle otto bobine. Il comportamento del sistema completo è stato ancora una volta simulato nei due ambienti COMSOL Multiphysics® v5.2 e MATLAB®, ottenendo risultati sempre coerenti indipendentemente dal metodo utilizzato (FEM in COMSOL e analitico in MATLAB®), validando così i modelli implementati. Gli ottimi risultati ottenuti hanno spinto MASMEC Biomed ad avere fiducia nel progetto. L’azienda ha infatti deciso di investire nella costruzione e test del nuovo prototipo di generatore di campo per il localizzatore elettromagnetico ad uso chirurgico oggetto di questa tesi