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Robot per la Sanità del futuro: le soluzioni allo studio e il caso di “DOT Paquitop”



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Ricerca e industria sono al lavoro nel campo della robotica sanitaria, in cerca di sistemi per ridurre il carico di lavoro che grava sul personale. Molte le soluzioni già proposte, ma ancora poche hanno superato la barriera che separa un prototipo di ricerca da un prodotto commerciale. Le applicazioni e un caso studio

Pubblicato il 22 set 2023

Lorenzo Baglieri

Politecnico di Torino

Giuseppe Quaglia

Politecnico di Torino

Luigi Tagliavini

Politecnico di Torino

Carmen Visconte

Politecnico di Torino



robot_anziani

Negli ultimi decenni, realtà industriali e di ricerca scientifica hanno studiato e sviluppato soluzioni robotiche per la salute, la cura, l’assistenza e la riabilitazione.

Le sperimentazioni in corso sono molte, ma anche le sfide da affrontare. Per inquadrare meglio il contesto e le motivazioni che guidano lo sviluppo di questo tipo di soluzioni robotiche, si può utilizzare, come caso studio, il progetto D.O.T. Paquitop realizzato presso il Politecnico di Torino, con il supporto della Fondazione Donazione Organi e Trapianti Onlus (D.O.T.) e del personale dell’AOU Città della Salute e della Scienza di Torino (CSS), presidio Molinette.

Prima però facciamo il punto sullo stato dell’arte della robotica in Sanità.

Robot in sanità: lo stato dell’arte

Tra la fine degli anni 80’ e l’inizio degli anni 90’, sono stati proposti per la prima volta i robot chirurgici per tecniche di intervento mininvasive, al fine di incrementare il tasso di successo delle operazioni e migliorare il decorso post-operatorio.

Più recentemente, è comparsa una nuova classe di robot per l’assistenza, nati per rispondere alle complessità dell’assistenza sanitaria. Complice la pandemia da COVID-19, la carenza di personale nelle strutture ospedaliere è risultata sempre più evidente e, ad oggi, rappresenta uno dei principali problemi nel sistema sanitario italiano come anche in molte altre realtà straniere.

Questa mancanza di personale porta ad un sovraccarico del singolo operatore e ad un peggioramento complessivo della qualità dell’assistenza. Per ovviare a queste difficoltà, una possibile soluzione potrebbe essere quella di utilizzare robot autonomi per l’esecuzione di semplici compiti di supporto al personale sanitario. Si potrebbe, così, alleviare il carico di lavoro degli operatori sanitari, la cui presenza resta imprescindibile nel percorso di cura, affinché abbiano più risorse da dedicare alle attività che richiedono competenza ed esperienza.

Robot per l’assistenza: le principali applicazioni

Le applicazioni principali nelle quali i robot per l’assistenza possono essere impiegati sono:

  • telepresenza, che permette la comunicazione tra paziente e personale sanitario, o tra paziente e familiari in situazioni di isolamento;
  • trasporto di piccoli oggetti;
  • aumento della frequenza del monitoraggio del paziente, favorendo una migliore qualità di cura;
  • accompagnamento dei pazienti nelle varie aree della struttura ospedaliera;
  • compagnia e intrattenimento;
  • stimolazione delle attività riabilitative nel post-operatorio;
  • sanificazione di locali, stanze e sale operatorie, riducendo l’esposizione del personale e, di conseguenza, il rischio di contagio.

I sistemi per la compagnia e l’intrattenimento

Una delle categorie di robot per l’assistenza più studiate è quella dei sistemi per la compagnia e l’intrattenimento, tra cui il robot umanoide NAO[1] e il robot AIBO[2] dalle sembianze simili a quelle di un animale domestico. Questi robot sono stati concepiti per problemi legati a demenza, invecchiamento e solitudine.

Altri sistemi sono stati proposti per monitorare le condizioni di salute del paziente, in particolare per prevenire i rischi legati a colpi di calore[3] e per riconoscere e avvertire il personale competente se il paziente è caduto[4].

Robot per sanificare gli ambienti ospedalieri

Sempre per fronteggiare le problematiche evidenziate dalla pandemia, molte realtà industriali e di ricerca hanno lavorato per realizzare robot in grado di sanificare gli ambienti ospedalieri, migliorando così il benessere di pazienti ed operatori.

Il progetto Samaritan

Questo è il caso di Samaritan, un progetto sostenuto da Fondazione Marmo di Carrara e realizzato grazie a Fondazione filantropica “Il talento all’Opera” nata su iniziativa della scuola Sant’Anna di Pisa. Questo progetto ha portato allo sviluppo di un robot mobile per la disinfezione basata su lampade a raggi UV-C, fase sperimentale avviata nell’estate 2020. Altri esempi sono il robot UV-C mini™, sviluppato congiuntamente da BlueBotics ed Engmotion, i sistemi della famiglia SpeedyCare™ UV, realizzato da SEWERTRONICS™, e UV Sanitization Robot di Patholab (Link).

Smaltimento e differenziazione dei rifiuti

Infine, rimangono altri campi applicativi non ancora esplorati. Questo è il caso dello smaltimento e differenziazione dei rifiuti, sia per la compattazione e la gestione di rifiuti speciali, con una conseguente riduzione del rischio per gli operatori, sia per la differenziazione e il riciclo dei rifiuti non speciali. Ad esempio, una grossa quantità di materiale di imballaggio di strumenti monodose fatica ad essere riciclato in contesti come le sale operatorie, nelle quali gli operatori sono fortemente concentrati sulle loro attività lavorative.

Robot in sanità: le sfide tecnologiche

Per svolgere tutte queste funzionalità in maniera autonoma all’interno delle strutture sanitarie sono molte le sfide tecnologiche che è necessario affrontare. Innanzitutto, i robot per l’assistenza devono essere in grado di muoversi in ambienti complessi nei quali sono presenti ostacoli statici e in movimento, piccoli gradini e discontinuità della pavimentazione. Per questo è necessario che questi dispositivi abbiano una buona mobilità e una struttura che ne garantisca la stabilità in qualsiasi condizione di utilizzo. Inoltre, sensori di percezione sono fondamentali per acquisire i dati necessari alla generazione delle mappe dell’ambiente, alla pianificazione del moto e al riconoscimento degli oggetti. Infine, questi robot devono essere dotati di potenti unità di calcolo per poter eseguire algoritmi di navigazione autonoma. In particolare, molta attenzione va data al tema della sicurezza della navigazione, in quanto questi robot si muovono in ambienti popolati da persone che, in molti casi, si trovano in una condizione di fragilità.

Caso studio: il robot mobile D.O.T. Paquitop

Il robot D.O.T. Paquitop è un robot mobile autonomo concepito per affiancare il personale della Struttura Complessa Banca del Sangue e Immunoematologia di CSS. Il progetto è nato in collaborazione con la Fondazione D.O.T. che da anni lavora sul territorio, sviluppando progetti di ricerca ed iniziative legate al mondo delle pratiche terapeutiche legate al trapianto. In virtù della fondamentale importanza che la Banca del Sangue riveste nel “sistema trapianti”, è stata scelta questa struttura come prima applicazione per testare l’efficacia di utilizzo di questo tipo di tecnologie in ambito ospedaliero.

L’obiettivo principale del progetto D.O.T. Paquitop è quello di sviluppare un sistema che fornisca assistenza di base al paziente e svolga operazioni facilmente automatizzabili, in modo da supportare il personale ospedaliero.

Le funzionalità principali per le quali è stato sviluppato il robot D.O.T. Paquitop sono:

  • effettuare un ulteriore controllo di corrispondenza tra la sacca di sangue e il paziente durante le trasfusioni, al fine di incrementare la sicurezza trasfusionale;
  • aumentare la frequenza di misura dei parametri vitali;
  • trasportare piccoli oggetti;
  • dare informazioni utili durante la permanenza in ospedale;
  • permettere di chiamare un operatore.

Sulla base di questi obiettivi, il robot è stato concepito come una piattaforma mobile su ruote, dotata di un braccio robotico collaborativo per poter interagire con l’ambiente circostante, di sensori per la navigazione autonoma e di un tablet sul quale è stata sviluppata un’interfaccia grafica personalizzata per poter interagire con il paziente.

La base del robot è appoggiata su due motoruote (ruote dotate di un motore elettrico integrato nel cerchio della ruota), ognuna delle quali è montata su un meccanismo di orientamento, anche detto di sterzo. In questo modo è possibile controllare indipendentemente l’orientamento e la velocità di queste due ruote motorizzate, che forniscono la spinta necessaria al movimento del robot.

Utilizzando questo sistema di locomozione, la piattaforma del robot può traslare liberamente in tutte le direzioni, oppure eseguire movimenti più complessi, che richiedono la capacità di controllare la velocità di rotazione della piattaforma attorno al proprio asse verticale in maniera indipendente dalla direzione di movimento della base. Questa elevata mobilità rende il robot D.O.T. Paquitop particolarmente adatto alla navigazione in ambienti ristretti e con molti ostacoli. Inoltre, sul robot sono presenti due ruote pivotanti e un sistema di sospensione per garantire stabilità anche in presenza di irregolarità del terreno.

Altre caratteristiche molto importanti del sistema sono il ridotto peso, circa 10 kg, e il ridotto ingombro in pianta, circa 60 cm 45 cm, simile a quello di una persona. La leggerezza del sistema è direttamente correlata alla sicurezza in caso di un urto accidentale, mentre le dimensioni in pianta permettono al robot di navigare agevolmente negli ambienti ristretti delle strutture sanitarie.

Attività sperimentali svolte

Per verificare l’applicabilità di questo robot per l’assistenza sanitaria in un vero contesto ospedaliero, è stato svolto a luglio 2022 un test preliminare presso la Banca del Sangue di CSS. Durante il test, il robot è stato condotto attraverso gli ambienti della Banca del Sangue in modo da generare una mappa del reparto e sono state salvate le posizioni delle poltrone trasfusionali, tra le quali verrà effettuato il “giro visite” in autonomia.

Oltre alla navigazione in autonomia verso e tra le stazioni trasfusionali, il robot, durante questo test preliminare, aveva due compiti principali: leggere gli identificativi del paziente e della sacca di sangue a lui assegnata per effettuare un controllo di corrispondenza ed interagire con il paziente, offrendo la possibilità di chiamare un operatore.

Normalmente, le sacche di sangue e i braccialetti dei pazienti sono dotati di un chip NFC (Near Field Communication) integrato all’interno del sistema informatico della struttura sanitaria. In questo test preliminare, è stato utilizzato un archivio fittizio di corrispondenza tra sacche di sangue e pazienti (soggetti sani e coinvolti nel progetto) e sono stati utilizzati degli ArUco marker (tag visivi unici, simili ai QR code) in sostituzione dei chip NFC. In futuro, si dovrà prevedere l’integrazione del robot mobile all’interno della struttura informatica dell’ospedale per poter usufruire in maniera efficace di questa funzionalità.

Durante la prova, al robot è stato chiesto di iniziare il giro visite, navigando autonomamente nel reparto fino a raggiungere la prima stazione trasfusionale. Arrivato davanti alla prima stazione, il robot ha eseguito la lettura del codice riferito alla sacca di sangue, utilizzando la videocamera installata sul braccio robotico e un sistema di riconoscimento dell’immagine per individuare e decodificare il marker ArUco. Successivamente, il braccio robotico ha afferrato l’interfaccia grafica personalizzata e l’ha porta al paziente, regolando automaticamente la posizione finale in base alla posizione del paziente.

Tramite l’interfaccia grafica il robot ha chiesto al paziente di mostrare il suo codice identificativo per completare il controllo di corrispondenza tra paziente e sacca di sangue. In seguito, l’interfaccia grafica personalizzata ha permesso l’interazione tra il robot e il paziente, al quale è stato chiesto se necessitasse di aiuto. In caso affermativo, la richiesta sarebbe stata automaticamente inviata al personale sanitario. Infine, il robot ha ritratto il tablet e si è spostato verso la stazione trasfusionale successiva.

Il test è stato ripetuto più volte per verificare il corretto funzionamento del prototipo e, in particolare, le capacità di navigazione autonoma del robot all’interno della struttura ospedaliera e di interazione con il paziente. Il robot mobile ha dimostrato di poter navigare in autonomia all’interno della Banca del Sangue, raggiungendo le postazioni trasfusionali richieste ed effettuando il controllo di corrispondenza tra sacca di sangue e paziente. Inoltre, la possibilità di avvicinare l’interfaccia al paziente in una posizione che fosse per lui comoda, si è rivelata una funzionalità molto utile durante l’utilizzo.

Sviluppi futuri

A seguito di questa prima fase di sperimentazione rimangono aperti ancora molti temi, tra cui l’integrazione di sensori per la misura di parametri vitali e la generazione di una mappa 3D dell’ambiente, che aiuterà ad eseguire i movimenti del braccio robotico in maniera più robusta e sicura.

Le prime sperimentazioni hanno stimolato l’ideazione di un modo più intuitivo per muovere manualmente il dispositivo durante la fase preliminare di mappatura degli ambienti, in modo da sviluppare un’interfaccia adatta anche a personale sanitario senza formazione specifica nell’utilizzo di questo robot. A tal proposito, è stato sviluppato un metodo di guida alternativo che prevede che l’operatore afferri l’elemento terminale del braccio robotico e lo utilizzi come joystick di guida del robot.

Il principio di funzionamento di questa interfaccia si ispira al modo in cui una persona è portata a guidare un sistema mobile, ovvero afferrandone una parte e spingendo nella direzione desiderata di movimento. A questo scopo, il sistema robotico deve essere in grado di percepire e stimare le forze esercitate dall’utente su di esso. Tali forze vengono interpretate come intenzioni dell’utente a muovere la piattaforma in una certa direzione e, conseguentemente, vengono trasformate in comandi ai motori che gestiscono i movimenti di traslazione e rotazione della piattaforma. Su questa tematica sono state eseguite delle prime prove in laboratorio per valutare la facilità di guida. Queste prove hanno dimostrato la fattibilità tecnologica, ma rimangono ancora da verificare pienamente le caratteristiche di intuitività ed ergonomia che saranno oggetto di sperimentazione futura con personale senza formazione in materia di robotica.

Con l’obiettivo di estendere l’utilizzo del dispositivo robotico ad altri reparti ospedalieri, è, inoltre, in fase di sviluppo un’interfaccia aptica, che potrebbe essere porta dal braccio robotico a pazienti coscienti in terapia intensiva. Una prima funzione potrebbe essere quella di stimolare e motivare il paziente, velocizzandone il recupero. L’interfaccia potrebbe essere utilizzata, infatti, per incoraggiare il paziente ad eseguire movimenti di chiusura ed apertura alternata delle dita con complessità crescente, registrando l’ampiezza del movimento effettuato ed i tempi di esecuzione. Un secondo impiego potrebbe essere quello di consentire a pazienti con ridotta mobilità, non in grado di interagire col tablet, di comunicare col dispositivo robotico e, quindi, col personale sanitario.

Conclusioni

In conclusione, il mondo della ricerca e quello industriale sono oggi attivamente al lavoro nel campo della robotica per l’assistenza sanitaria, cercando soluzioni innovative per ridurre il carico di lavoro che, ad oggi, pesa gravosamente sul personale sanitario. Molte soluzioni sono già state proposte, ma ancora poche hanno avuto la forza di sfondare la barriera che separa un prototipo di ricerca da un prodotto commerciale. Ciò nonostante, l’impennata dei lavori di ricerca sul tema testimonia che queste tematiche sono sempre più attuali e fa pensare che presto altre soluzioni robotiche potranno essere adottate nell’ambito ospedaliero.

Ringraziamenti

Gli autori desiderano ringraziare il Dott. Lorenzi, Direttore della Banca del Sangue e Immunoematologia dell’AOU Città della Salute e della Scienza di Torino, il coordinatore Remigio Roncato e la sua equipe, e il Prof. Luca Brazzi, Professore Ordinario in Anestesia e Terapia Intensiva presso l’Università di Torino per il confronto costruttivo e la disponibilità dimostrata. Si ringrazia anche tutto il personale della Banca del Sangue di CSS per la collaborazione e l’interazione durante lo svolgimento delle prove sperimentali.

Note

  1. [Gouaillier, D., Hugel, V., Blazevic, P., Kilner, C., Monceaux, J., Lafourcade, P., … & Maisonnier, B. (2009, May). Mechatronic design of NAO humanoid. In 2009 IEEE international conference on robotics and automation (pp. 769-774). IEEE.]
  2. [Masahiro, F. (2001). AIBO: toward the era of digital creatures. The International Journal of Robotics Research, 20(10), 781-794.]
  3. [Yatsuda, A., Haramaki, T., & Nishino, H. (2018, May). A study on robot motions inducing awareness for elderly care. In 2018 IEEE International Conference on Consumer Electronics-Taiwan (ICCE-TW) (pp. 1-2). IEEE.]
  4. [Mundher, Z. A., & Zhong, J. (2014). A real-time fall detection system in elderly care using mobile robot and kinect sensor. International Journal of Materials, Mechanics and Manufacturing, 2(2), 133-138.]

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