Dental Tech - La robotica per l’odontoiatria del presente e futuro

01 Febbraio 2023

Dr. Giorgio Castagno

* Laureato in odontoiatria. Consegue master in Implantologia, in Protesi e Implantoprotesi, in Terapia della Malattia Parodontale, Digital dentistry e perfezionamento in Chirurgia orale. Titolare di studio dentistico in Borgosesia. Appassionato di robotica, deep tech e automazione. Fondatore di Robota e Wave, start up innovative nel settore della robotica e Iot.

La tecnologia ha invaso la nostra vita. Iot: blockchain, social media, solo per fare degli esempi, ci rendono sempre più interconnessi e automazioni sono sempre più integrate nei nostri processi lavorativi e nella quotidianità. Anche i robot sono coinvolti in questo cambiamento tecnologico, entrando nelle nostre case: aspirapolveri intelligenti, tagliaerba, robot da cucina, e molto altro. Il settore medicale, odontoiatria compresa, sta vivendo questa rivoluzione. Le opportunità e i campi di applicazione sono infiniti, si tratta di una nuova era per medici e pazienti. Senza dare nulla per scontato, faremo chiarezza su cosa sia un robot, anche se non risulta facile darne una definizione veloce e soddisfacente. I robot sono macchine che presentano versatilità, flessibilità e ri-programmabilità. La definizione del Robot Institute of America riflette la situazione attuale della robotica: “Il robot è un manipolatore multifunzionale riprogrammabile progettato per muovere materiali, parti, strumenti o una macchina specializzata, che attraverso la programmazione del movimento esegue diverse operazioni”. Non nascono con uno scopo specifico al momento della fabbricazione. Per esempio una stampante 3d è una macchina specializzata (produrre oggetti da file), un robot invece può svolgere attraverso la corretta programmazione e il corretto tool la funzione di stampante 3d e di qualsiasi altro lavoro. I Robot sono in realtà sistemi complessi, che necessitano di altre componenti, per riuscire a svolgere la loro funzione. Sarebbe corretto utilizzare il termine SISTEMA ROBOTICO in quanto esso è composto da diversi sub sistemi (per comodità utilizzeremo sempre il termine robot). Si tratta di sistemi estremamente complessi, composti da sensori, controllori e attuatori, da diversi protocolli di comunicazione e diversi software. Dal punto di vista scientifico, un robot è visto come una macchina in grado di modificare l’ambiente in cui opera. La robotica è una branca dell’ingegneria che studia il funzionamento di macchine che possono sostituire l’essere umano nell’esecuzione di procedure e processi, sia dal punto di vista fisico che da quello del decision-making. La Robotica è definita conseguentemente come la scienza che studia la razionale connessione tra percezione e azione, occupandosi dello studio, della costruzione e dell’impiego dei robot stessi. Si definisce quindi il termine automazione: la tecnologia che usa sistemi di controllo (come circuiti logici o elaboratori) per gestire macchine e processi, riducendo la necessità dell'intervento umano, ovvero per l'esecuzione di operazioni ripetitive o complesse, ma anche dove si richieda sicurezza o certezza dell'azione o semplicemente per maggiore comodità. Assieme ad essa, è necessaria una gestione efficiente di grandi quantità d’informazioni (impossibile solo con controllo umano). Per motivi tecnologici ed economici, i robot si muovono generalmente in un ambiente fortemente strutturato, come in ambito industriale, in cui sono necessari per la realizzazione dei processi produttivi. Per questo motivo si è soliti parlare di robotica industriale. Negli anni Sessanta iniziò la vera rivoluzione del processo di automatizzazione in molti settori della produzione industriale e manifatturiera. Solo all’inizio del nuovo millennio tali concetti sono stati applicati anche all’agricoltura, all’edilizia, alla sanità e nell’ambiente domestico. Il principale scopo dell’automazione è quello di sostituire l’uomo in compiti ripetitivi o nocivi, con macchine in grado di operare in modo autonomo o con minimi interventi da parte dell’operatore umano. Le ragioni del successo della robotica e dell’automazione sono legate a numerosi fattori tra cui:

• il miglioramento della qualità dei processi produttivi;

• risparmio di tempo ed energia, riduzione dei costi e degli scarti di lavorazione;

• flessibilità degli impianti produttivi, con la possibilità di utilizzare la stessa linea produttiva per più prodotti. Alcuni esempi di automazione sono: i sistemi di controllo dei processi, le macchine a controllo numerico, le macchine per l’assemblaggio di componenti e per la movimentazione di pezzi, sistemi informatici per il monitoraggio e il controllo della produzione, per la gestione dei magazzini, eccetera. I robot sono spesso utilizzati per la loro precisione e velocità nel riprodurre sempre la stessa mansione. Sono ideali per processi altamente ripetitivi e a basso valore aggiunto, mansioni in cui l’errore umano è elevato. Non essendo dotati di intelligenza, creatività e capacità di adattarsi a variabili non previste, non sono indicati per lavori ad alto valore I robot possono essere classificati in due macro-categorie come: robot manipolatori a base fissa e robot mobili, come gli AGV (“Automated Guided Vehicle”). I robot mobili sono caratterizzati da una base mobile che permette al robot di muoversi liberamente nell’ambiente. Trovano già applicazione nello spostamento di carrelli all’interno degli ospedali e nelle fabbriche per la movimentazione delle merci. Banalmente, Roomba e la categoria degli aspirapolvere robot appartengono a questa categoria. Essi possono essere distinti in due classi principali:

• I robot mobili su ruote sono composti da una base e da un sistema di ruote che permettono il moto (è la classe maggiormente utilizzata sia in ambito civile che industriale);

• I robot mobili con gambe, che possono essere composti da più corpi rigidi, interconnessi tra loro tramite articolazioni per esempio Spot (BostonDynamic). Normalmente il loro funzionamento è basato su studi di robotica biomimetica, cioè ispirata agli organismi viventi: possono essere bipedi, come noi umani, oppure avere più arti come gli insetti. Un robot mobile ha un raggio di azione (definito come la porzione nella quale il robot può avere accesso) molto più grande rispetto a quello di un robot manipolatore. Nonostante possegga una mobilità locale minore, esso può sfruttare il movimento delle ruote per poter ruotare e modificare lo spazio locale di accesso. È possibile fondere la struttura meccanica di un robot manipolatore con quella di uno mobile, così da creare un sistema articolato con una indefinita mobilità. Un robot manipolatore è un dispositivo utilizzato per manipolare materiali senza il contatto fisico diretto dell’operatore.

Esso è composto da:

• ROBOT ARM

• UNITÀ DI CONTROLLO

• TERMINALE DI PROGRAMMAZIONE

ROBOT ARM

Complesso hardware che corrisponde al robot nella componete meccanica che viene gestita come un unico sistema.

Per macro categorie sono divisi in:

• robot paralleli (utilizzati nei simulatori di volo);

• robot seriali (sistema meccanico composto da insieme di membri rigidi, connessi da accoppiamenti in catena aperta). A loro volta sono divisi in prismatici (movimento lineare simile a quello di una stampante 3D a filo) e rotoidali (movimento rotatorio dei giunti). I secondi sono i più utilizzati, anche nel mondo industriale, e sono chiamati generalmente robot antropomorfi, vista la somiglianza del robot ad un braccio umano. È composto da:

• CABLAGGIO BASE: alimentazione dei muscoli. Insieme di tutti i cavi e connettori compresi cavi dei servizi, segnali, aria e acqua.

• MOTORI ELETTRICI: i muscoli di tipo brushless, cioè “senza spazzole” con il rotore a magneti permanenti e lo statore a campo magnetico rotante.

• SENSORI: servono a misurare la posizione del robot, tramite degli encoders. Ogni motore è dotato di un trasduttore di posizione angolare, un dispositivo elettro-meccanico che converte la posizione o il moto angolare in un codice digitale (una sorta di contagiri digitale).

• RIDUTTORI: i tendini. Sono dispositivi meccanici in cui ingranaggi disposti all’interno della struttura, riducono la velocità di rotazione da un albero in ingresso (albero veloce) a un albero in uscita (albero lento).

• STRUTTURA MECCANICA: lo scheletro osseo. Insieme di corpi rigidi interconnessi da giunti (costituiscono la catena cinematica).

UNITÀ DI CONTROLLO

Parte elettrica che serve per gestire l’Arm:

• Alimentatori: energia necessaria

• Unita di governo (CPU): il cervello

• Moduli di potenza: il sistema nervoso

TERMINALE DI PROGRAMMAZIONE

Dispositivo d’interfaccia che consente di comunicare con Robot Arm e unità di controllo. È utilizzato per la gestione dei movimenti manuali del robot prima della programmazione della mansione. La scrittura avviene preferibilmente a PC per la componente logica e di integrazione, che spesso è molto complessa e richiede l’integrazione con altri software. Il terminale di programmazione comprende:

• Selettore di stato. Una sua componete fondamentale è il pulsante d’arresto di emergenza: la sicurezza non è un optional e deve essere eseguita un’attenta analisi dei rischi. Senza sicurezza non è possibile in alcun modo lavorare, che sia con un robot, una macchina o qualsiasi tipo di utensile. Ogni lavoratore deve prendersi cura della propria salute e sicurezza e di quella delle altre persone presenti sul luogo di lavoro, sui quali ricadono gli effetti delle sue azioni o omissioni, conformemente alla sua formazione, alle istruzioni e ai mezzi forniti dal datore di lavoro;

• Display per interfaccia grafica con utente;

• Tastiera e led di stato;

• Dispositivo di abilitazione. L’operatore utilizza il terminale di programmazione per comunicare all’unità di controllo i movimenti che deve effettuare l’Arm; l’istruzione passa dalla CPU (il cervello) ai moduli di potenza (il sistema nervoso), tramite il cablaggio base (alimentazione dei muscoli) per arrivare ai motori che sono i muscoli veri e propri. È molto importante considerare che un robot nasce cieco, sordo, muto, senza propriocezione e percezione della forza di gravità, ma soprattutto senza una funzione o programmazione specifica: necessita di tutti i basilari sistemi di riferimento per lavorare (coordinate cartesiane e piani di lavoro) che per un organismo vivente sono già “installati alla nascita” (i sei sensi) e noi diamo per scontati. La robotica non funziona plug and play, è fondamentale una attenta programmazione e setting delle componenti per svolgere funzioni, che per un essere umano sono banali.

END-EFFECTOR

L’end-effector è il dispositivo con cui il robot interagisce con l’ambiente circostante, oltre che eseguire il movimento. Se il robot può essere assimilato concettualmente al braccio umano, l’end-effector è la sua mano (a volte comprensiva dello strumento stesso che utilizzare l’operatore manualmente). Alcuni esempi possono essere una pinza con la quale afferrare gli oggetti, oppure una ventosa per trasportare lastre di vetro. I compiti svolti dall’end-effector sono in realtà tantissimi: afferrare oggetti, verniciare, saldare, assemblare parti. Per questa ragione si tratta di un dispositivo molto specializzato e, quindi, poco “flessibile”, cioè in grado di svolgere pochi compiti, dotato di pochi sensori (se presenti) e di semplice struttura. Solo recentemente si è assistito alla nascita di una nuova generazione di end-effector dotati di elevata sensoristica e cinematica, tali da renderli simili alla mano umana.

ROBOTICA ODONTOIATRICA

I robot non sono una novità in campo medico, anche se solo negli ultimi anni ne abbiamo visto diffondersi l’utilizzo. Li abbiamo visti assistere i pazienti per oltre 30 anni. Il sistema più famoso da quell’era di pionieri è probabilmente il Da Vinci, della Intuitive. L’introduzione sul mercato di robot collaborativi e dotati di sensibilità, sta stravolgendo questo panorama. Anche l’odontoiatria ha visto la nascita di un sistema dedicato per inserimento di impianti dentali, Yomi della Neocis llc. La ricerca spinge per applicazioni cliniche, dove massimo è il valore aggiunto dall’operatore. Non si corre il rischio che la riabilitazione implantare si riduca al solo inserimento di una vite di titanio all’interno di un osso, eliminando dalla terapia altri aspetti terapeutici fondamentali (fiducia, empatia)? Come in campo industriale, la robotica dovrebbe trovare applicazione in attività ripetitive e a basso valore aggiunto. Permettendo di concentrare le risorse umane verso la cura del paziente, esaltando quello che in ambito industriale è chiamato Human Power. Nel futuro, grazie al miglioramento della tecnologia, e anche alla sua accettazione da parte dei pazienti, questa dicotomia sparirà. Nonostante tutto questo fermento culturale, poco e nulla si è fatto per il processo di sterilizzazione. Eppure, l’igiene rappresenta inequivocabilmente la base della medicina moderna. Allo stato normativo e tecnologico attuale, il flusso di sterilizzazione presenta elevato rischio per gli operatori e una elevata possibilità di errori. L’introduzione di un sistema di automazione è una soluzione ottima, sia per la tutela del personale medico che per i pazienti, eliminando allo stesso tempo una mansione poco gradita al personale dello studio.

ROBOTA

Il termine robot deriva dalla parola di origine ceca “robota”, che significa lavoro pesante o lavoro forzato. Non a caso la nostra azienda si chiama Robota: esiste lavoro più pesante della sterilizzazione? Quando si analizzano gli stati dei processi in ambito medico, la valutazione del rischio biologico e degli alti tempi di ciclo sono i principali fattori da controllare. Le strutture sanitarie rappresentano rischi per la trasmissione di agenti patogeni, nel caso in cui non fossero applicati rigorosi protocolli di prevenzione e protezione sia per pazienti che per operatori. Ora più che mai, una nuova cultura sull’igiene è necessaria, soprattutto dopo la tragica esperienza della pandemia di Coronavirus. Con Robota si può avere per la prima volta un sistema interamente automatizzato, sicuro e razionale per un processo di sterilizzazione completo. È un’apparecchiatura stand-alone che contiene al suo interno tutte le attrezzature necessarie per il processo. Le fasi di sterilizzazione sono seguite con una logica rigidissima, rispettando i massimi standards in ambito odontoiatrico/ambulatoriale. Non mi dilungherò nel descrivere un processo, che tutti noi svolgiamo quotidianamente. Robota richiede semplicemente che il tray sia inserito al suo interno nella zona di carico “contaminato”, il ciclo parte autonomamente, e una volta terminato si potrà prelevare i tray con lo strumentario sterilizzato e imbustato nella zona di scarico “sterile”. La facilità di utilizzo e di interfaccia nasconde un sistema integrato con logiche di funzionamento avanzate. Abbiamo miniaturizzato una grande linea di produzione industriale nello spazio di 3 frigoriferi. Sostituire completamente la capacità manuale e decisionale di una Aso con una macchina è stata una sfida tecnologica incredibile. Tutto è stato ottimizzato, dall’utilizzo e miscelazione automatica dei liquidi di disinfezione/decontaminazione all’imbustamento. Il flusso prevede anche la lubrificazione e trattamento dei manipoli dedicata al suo interno. Ogni dato e stato della macchina sono registrati all’interno del database, permettendo una tracciabilità completa dell’avvenuto flusso di sterilizzazione e dello strumentario chirurgico.

VANTAGGI UNICI

Il sistema è concepito per:

• azzerare rischi biologici;

• rendere più efficiente ed efficace la sterilizzazione;

• risparmiare tempo e risorse dedicando il personaleall’attività clinica;

• fornire la massima garanzia giuridica attraverso una completa tracciabilità.

Per legge la procedura di sterilizzazione deve essere compiuta garantendo la sicurezza dell’operatore; questo

avviene con l’uso di guanti, preferibilmente antigraffio, indumenti protettivi e dispositivi di protezione del

volto da schizzi di sostanze contaminate, come le mascherine oronasali, occhiali protettivi o meglio schermi protettivi.

TEMPO

Le assistenti necessitano di molto tempo nella fase preliminare alla sterilizzazione degli strumenti, essendo presenti svariate procedure manuali che possono risultare risultare complesse. ROBOTA non richiede presenza umana. Rischio. La manipolazione di strumenti e materiali contaminati presenta rischi biologici elevati che devono essere contenuti e controllati, sia per la tutela degli operatori che per quella dei pazienti. ROBOTA riduce il rischio. Protocollo. La sterilizzazione avviene correttamente se tutti gli standard dei vari processi vengono rispettati; se non rispettati, l’intero processo di sterilizzazione è da ripetersi. Spazio. Lo spazio è un altro fattore rilevante quando si pianifica il flusso di lavoro all’interno di un ambiente; molto spesso le sale di sterilizzazione hanno dimensioni contenute e la razionalizzazione degli spazi assume un valore notevole. ROBOTA riduce lo spazio necessario. Costi. Il costo è una componente importante che dipende dall’efficienza, cioè la velocità con cui si sterilizza, e dall’efficacia, cioè la capacità di ottenere una sterilizzazione sicura. ROBOTA massimizza l’efficienza e l’efficacia. Green Tech. Riduzione dell’utilizzo dei materiali di consumo e riduzione dell’impatto ambientale, aumentando gli standards di qualità. Non si tratta di green washing (pratica comune di utilizzare il termine green senza un reale impegno). Il processo di sterilizzazione è altamente inquinante, il nostro impegno è stato quello di ridurre lo spreco di risorse e la produzione di CO2, rispettando allo stesso tempo rigorosi standard di qualità. La robotica è già entrata nelle nostre vite. Stravolgerà la qualità e i flussi dei nostri studi. Se la TAC ha messo 30 anni a essere di uso comune, i fresatori 20, e gli scanner intraorali 10, quanto tempo impiegheranno i robot ad “invadere” i nostri studi?

gestione strumentario