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Concezione, sviluppo e progettazione di un prototipo per l

1. gd 58 Vit tasta Croce M26x8 amp Lamierini L BDeBB meccanici inn H lerino L Ex30x20 ma Camera LITECH getta Interfaccia Tavola_015 iduttora Epicicioldale 1 10 g Motore Anlmatice SM2315D Rondalle pe Bpess 1 mm Viti TGEI M4x16 p tei gi repo rima Dil DAAR A ani i tego de yada orme n wi Dl ae i pri ga Figura 20 Schema di assemblaggio Sottogruppo 03 Testa di rilevazione 30 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Design Come si pu vedere dalla figura che segue la macchina SATIS ha un design studiato per avere una buona ergonomia di utilizzo sia in fase di lavoro sul software sia in fase di posizionamento ed adattamento del piccolo animale Le forme sono state concepite per evitare fessure sottosquadri ed in generale zone di accumulo di polvere e sporcizia La pennellatura in materiale plastico molto piacevole e si integra bene con la struttura in profilati di alluminio con finitura satinata f Figura 21 Macchina SATIS Materiali Nella maggior parte delle costruz
2. L 09 ti con testa a croce M3x10 amierino a L Dimensioni 8x30x20 iti con testa a croce M3x8 orcella ottica di azzeramento Asse Asse A amma Camera LITECH iti TSCEI M6x12 langetta di interfaccia per riduttore CP040 della Alpha_Riduttori iti TSCEI M4x12 iduttore Epicicloidale 1 10 Alpha_Riduttori CP040 otore Animatics Smart Motor SM2315D Piastra Supporto Q Sottogruppo_03 TI lt q O 2 n Q O 13 Ea 28 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Elenco delle tavole dei fogli di ogni singola tavola e dei disegni trattati Tavola Tavola 001 Tavola 002 Tavola 003 Tavola 004 Tavola 005 Tavola 006 Tavola 007 Tavola 008 Tavola 009 Tavola 010 Tavola 011 Tavola 012 Tavola 013 Tavola 014 Tavola 015 Descrizione N Sottogruppo 01 Sottogruppo 02 Sottogruppo 03 Assi A e Z completo Piastra Supporto Assi Guida Disco Racchetta Miniguida a sfere con pattini Pignone e Cremagliera Supporto Rotante Asse A Fissaggio Asse Z su Guida R25 Pignone Asse A Accoppiamento Pignone su Guida R12 Gruppo M
3. 12 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali La realizzazione di alcuni particolari l assemblaggio e la messa punto del prototipo stata realizzata da personale ITIA CNR Per tali attivit sono state necessarie competenze di meccanica di precisione lavorazioni alle macchine utensili montaggi ed assemblaggio meccanici elettrotecnica ed elettronica Le 4 componenti sopra citate sono state progettate e realizzate nel rispetto dei vincoli di sicurezza rispondenza alle normative vigenti Normativa macchine CEI ecc ergonomia e manutenibilit Qui di seguito proponiamo una serie di fotografie scattate durante le diverse fasi di assemblaggio della macchina SATIS Assemblaggio Base macchina Figura 3 Immagini della fase di montaggio della catena cinematica dell asse X della macchina SATIS eseguito nel laboratorio sviluppo prototipi Sintesi 13 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne l
4. Per il trasporto all interno dei laboratori la macchina provvista di ruote girevoli e antistatiche che consentono un agevole movimentazione Inoltre la macchina provvista di 2 maniglie sulla parte posteriore Tutti gli spostamenti in piano possono essere fatti da una singola persona mentre tutti gli spostamenti su rampe piccoli gradini e su superfici generalmente non piane gli spostamenti devono essere condotti preferibilmente da due persone Per tutti gli spostamenti che comportano trasporto su un veicolo opportuno seguire gli accorgimenti riportate nel manuale di uso della macchina Come si avuto modo di sperimentare durante gli spostamenti eseguiti all interno dei laboratori durante lo sviluppo oppure durante le trasferte per la validazione pre clinica a Roma la trasportabilit del dispositivo agevole e mai difficoltosa Hmin 1350 mm in condizioni non operative con asse Z completamente abbassato 41 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Sicurezza Il sistema di controllo per la sicurezza di SATIS molto sofisti
5. essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali i Applicazioni Risorse Desktop istat d mar FL mar 1874 Gi Hio yiwi Oplonso Anilyss Hulp Burda Display Props Hep More Active Volume SCTO PT WineteWlevel ans Manal wn pa Lo Lew enon Threshold sto finan spo io j Hi fs p Pestis ma hingiin D cn Py Images Es iGammata Manda sat lon Espor D daniela sat con SATI M 30 Viewer O SATS Lira O 20 Vee AE Figura 62 Immagine multimodale zona cardiaca di Apglicarioni Risowe Desktop E delie d mar 71 mar 140 II Hio yiwe Opan Anahy Hulp Bodu s Display Props Help Mare Active Volume Sen WindywLevu sano Ma wpa TI wp TI Threshold s fim es TIES E j Paistis mh Fheoir ni cel ind Images Es T fGammala 3 danida sa lou Esplor dinda sat kico SATI O 30 Meer O SATIS L rd ED Viewer DIE Figura 63 Tomografia cardiaca Ti ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA C
6. 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali 2 2 OR2 Sonda scintigrafica Attivit 2 1 Studi e Progettazione delle sonde scintigrafiche La sonda scintigrafica integrata nel sistema meccatronico di diagnosi per immagini un innovativo sistema compatto di imaging che permette di ottenere in tempo reale un immagine scintigrafica di alta qualit e costituisce la tecnologia pi avanzata per la rilevazione mini invasiva delle neoplasie Il dispositivo si presta per le sue caratteristiche ad essere utilizzato in molti campi clinici dalla chirurgia e biopsia radio guidata alla diagnostica Il campo di vista area di acquisizione di 3 96 cm x 3 96 cm e l alta risoluzione spaziale permettono di localizzare in modo adeguato patologie difficilmente evidenziate da dispositivi tradizionali inferiori ad 1 cm di diametro Il ridotto peso consente il suo utilizzo come mini gamma camera con il vantaggio a differenza delle sonde scintigrafiche di fornire un imaging on line invece di valori di conteggio La funzione della sonda consiste nella acquisizione di immagini scintigrafiche secondo le
7. 7 0 002 85 asselo ITEM M6 Codice 0 0 026 23 Vite testa tonda M6x10 uadra a L con intagli sagomati misure 40x40x20 spessore 2 mm iti TCEI M3x10 dadino M3 altezza 2 mm quadra a L con intagli sagomati misure 40x40x20 spessore 2 mm assello ITEM in acciaio M8 Codice 0 0 026 18 Vite testa tonda M8x10 nodo 8 40x40 con leva di bloccaggio 4 fermi per la rotazione Codice 0 0 373 93 te a testa tonda M8x20 aa i eni 8 arra filettata M4 lunghezza 50 mm ie BEE Sottogruppo_01 Q Profilometro ado M4 altezza 4 mm rofilato ITEM Serie 8 40x40 leggero lunghezza 50 mm Codice 0 0 023 33 elecamera Marca Modello ne astra Guida Racchetta Alluminio Tavola_006 nario per miniguida a sfere Bosch Rexroth 0445 263 31 con lamierino iti TCEI M4x11 uida Circolare R13 HEPCO iti TCEI M3x12 inecorsa meccanico Vite TCEI M3x14 dado M3 altezza 2 mm arriere di fine corsa vite TCEI M4x6 con gambo completamente incassato remagliera lunghezza 200 mm altezza 20 mm modulo m 1 5 iti TCEI M5x10 amierino per azzeramento Asse Z Verticale amierino per azzeramento Asse A Circolare pessore con pendenze Acciaio iastra Supporto Rotante Asse A Alluminio Tavola_009 uscinetti Concentrici RLJ13 completi uscinetti Eccentrici RLJ13 completi TI Sottogruppo_02 D ti con testa a croce M2 5x8 amierini a L Dimensioni 20x20x20 spessore 2 mm ensore di finecorsa Marca Modello
8. Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 46 Integrazione della gamma camera sulla testa di rilevazione di SATIS 54 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali 2 3 OR3 Sistema di controllo Il sistema di controllo rappresenta una componente importante del sistema meccatronico di diagnostica per Immagini in quanto le prestazioni di questo macro componente possono avere influenza diretta sulla qualit delle acquisizioni L algoritmo di pianificazione e controllo traiettorie ha il compito di generare 1 riferimenti agli attuatori dell architettura meccatronica motori assi per l esecuzione delle scansioni planari e tridimensionali con i dispositivi di acquisizione E demandato al sistema di controllo inoltre
9. La prima fase dello sviluppo si focalizzata sulla individuazione delle specifiche del sistema di ricostruzione 3D a luce strutturata lama laser Si tratta di una telecamera con opportune caratteristiche e dotata di filtri inferometrici in grado di acquisire 1 profili generati da un dispositivo a luce strutturata tipicamente una lama laser La 60 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali nuvola di punti cos ottenuta viene successivamente elaborata con algoritmi di merging decimazione e meshing per ottenere la superficie del corpo Inizialmente era previsto che lo sviluppo di questa unit di scansione 3D fosse affidato all istituto ISIB del CNR L approfondimento delle problematiche in fase di progettazione ha portato alla definizione di precise specifiche e di un ristretto numero di possibili fornitori ritenuti adeguati a garantire le prestazioni desiderate Molte sono state le variabili prese in considerazione per giungere alla definizione dello scanner un alto coefficiente di riflessione o riflettanza delle superfici di scansione la necessit
10. Misure di planarit della guida circolare Asse C della macchina SATIS durante il montaggio del prototipo nel Laboratorio Sviluppo Prototipi Sintesi 33 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali ma O Figura 24 Immagini delle misure eseguite per la calibrazione del sistema meccatronico di diagnostica per immagini SATIS Le immagini si riferiscono alla misura della deformazione in diverse posizioni della guida circolare Asse C che determina errori di posizionamento e di coassialit 34 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Per quanto riguarda la calibrazione dei dispositivi di rilevamento come detto si utilizzano specifici strumenti sviluppati da Li
11. Progettazione e sviluppo dell interfaccia di visualizzazione 2D e 3D La prima fase del lavoro ha portato alla progettazione ed allo sviluppo dell interfaccia di visualizzazione 3D con le funzionalit di elaborazione segmentazione e proiezione dei dati volumetrici Successivamente stato necessario integrare la funzionalit di registrazione dei dati provenienti dai due dispositivi di acquisizione dati ovvero il profilometro Scanner 3D e la sonda scintigrafica Tali dati subiscono una trasformazione di rototraslazione nel sistema di riferimento dello spazio reale affinch la sovrapposizione dei dati nella finestra di visualizzazione 3D Viewer generi una rappresentazione volumetrica coerente Inoltre sono state implementate nuove funzionalit di elaborazione del volume che sono state raggruppate sotto forma di schede di lavoro nell interfaccia utente cs Modalit di visualizzazione del volume orientamento del volume nello spazio virtuale gestione delle viste gestione dei colori Profondit di campo field of view FoV proiezione di slices viste zoom e pan del volume cs Estrazione di isosuperfici dal volume visualizzato cs Sistema di puntamento tramite marker sulle isosuperfici e sulle slices visualizzate Il lavoro proseguito con l individuazione e l implementazione di tutte le funzionalit relative all analisi diagnostica 2D In particolare stata progettata una griglia mobile interattiva che visua
12. l impiego di adeguata componentistica ad hoc per aumentare la rigidezza della guida circolare in grado di far eseguire la rotazione intorno all asse del piccolo animale asse longitudinale della macchina dei dispositivi di rilevamento Asse C Lo studio della soluzione denominata ad arco mobile ha riguardato anche gli aspetti di sicurezza ergonomia e manutenibilit oltre ovviamente agli aspetti di qualit In definitiva si sono sfruttati 1 report tecnici relativi alla normativa vigente in tema di sicurezza ergonomia certificazione della qualit marchiatura CE normative specifiche IVD IMQ CEI direttive CEE EN ecc oltre alle regole di sviluppo per garantire un adeguato livello di manutenibilit Il risultato che stato raggiunto attraverso l OR1 la progettazione di dettaglio del sistema meccatronico 10 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Attivit 1 2 Realizzazione del prototipo dell architettura meccatronica L ingegnerizzazione del prototipo stata suddivisa nelle seguenti sotto attivit Anali
13. 0 2 mm 32 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Calibrazione La calibrazione della macchina SATIS ha riguardato sostanzialmente due aspetti Calibrazione meccanica della struttura Calibrazione dei dispositivi di rilevamento Sonda scintigrafica e Profilometro Scanner 3D Con riferimento alla calibrazione della struttura meccanica le normative di riferimento sono UNI ISO 230 1 Codice di collaudo per le macchine utensili Parte 1 Precisione geometrica delle macchine utensili in funzionamento a vuoto o in condizioni di finitura Ex UNI 7475 1 UNI ISO 230 1 Codice di collaudo per le macchine utensili Parte 2 Determinazione della precisione e ripetibilit di posizionamento degli assi a comando numerico Durante tutte le fasi della realizzazione dei pezzi e del montaggio della macchina sono state effettuate misure volte a verificare geometria e rigidezze statiche del sistema meccatronico Normativa 230 ecc Di seguito sono mostrate alcune fasi della calibrazione degli assi del sistema meccatronico Figura 23
14. L attivit deve procedere con la progettazione e lo sviluppo dell interfaccia di visualizzazione ed elaborazione 3D e successivamente con la progettazione e lo sviluppo dell interfaccia di visualizzazione ed elaborazione 2D Pertanto il lavoro proseguir nell individuazione e implementazione di tutte le funzionalit relative alla diagnostica in 2D Altre attivit svolte nell ambito dell attivit 4 1 1 sono Sviluppo modulo di acquisizione Probe scintigrafica Sviluppo modulo di posizionamento Probe scintigrafica Sviluppo modulo di coordinamento MAIN acquisizioni con Probe scintigrafica Sviluppo modulo di acquisizione geometria Profilometro Sviluppo modulo di posizionamento del sistema di acquisizione e ricostruzione geometria Profilometro Sviluppo modulo di coordinamento MAIN acquisizioni con Profilometro Completamento dell interfaccia di visualizzazione e GUI o Debug e test del SW O O Di O O O La sottoattivit 4 1 2 prevede lo sviluppo del modulo software di gestione della sonda scintigrafica e delle acquisizioni effettuate con questo dispositivo di rilevamento La sottoattivit A4 1 3 ha previsto lo sviluppo del modulo di scansione ottica digitalizzazione ricostruzione e visualizzazione di geometrie 3D al fine di presentare all operatore la visione tridimensionale del volume anatomico oggetto di indagine diagnostica Questa funzione fornisce il contenuto informativo dell immagine morfologica
15. Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali La libreria dotata delle seguenti funzionalit acquisizione Immagini mediante trigger ricostruzione 3D di una singola vista da sequenza di immagini e triangolazione dei punti 3D merging di due o pi viste date le relative matrici di allineamento e generazione di una superficie triangolata mesh decimazione semplificazione della superficie finale con controllo dell errore massimo di approssimazione tollerato output del volume di bound dell oggetto acquisito come coordinate o dimensioni del minimo parallelepipedo circoscritto calibrazione metrica del sistema mediante l uso del pattern di calibrazione salvataggio mappa di profondit nei formati BMP PNG salvataggio superficie di scansione 3D in formato vtk tipo unstructured grid Il software sviluppato per sistema operativo Linux Red Hat 8 kernel 2 6 La calibrazione metrica del sistema effettuata in modo semi automatico e viene inizializzata selezionando un riferimento metrico noto a priori pattern di calibrazione La calibrazione metrica lungo l asse di scorrimento del sistema di scansione effettuata inserendo manualmente un coefficiente di calibrazione Ris
16. accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 42 Sistema scintigrafico integrato in SATIS Alimentazione interfaccia elettronica e connessioni L unit di alimentazione ed interfaccia consente di connettere il sistema di acquisizione ad un Personal Computer Esso costituito da un sistema di acquisizione a quattro canali con velocit di acquisizione di 20 MSamples s per canale Il collegamento avviene mediante una linea seriale RS232 di controllo ed una linea USB per il passaggio dei dati a velocit full speed 12MBits sec Nel box altres presente l unit di alimentazione switching che permette di alimentare il sistema 220V AC Figura 43 Schema delle connessioni Testa di rivelazione La testa di acquisizione stata sviluppata per l integrazione nel sistema SATIS Il suo campo applicativo pertanto specifico per l utilizzo su piccoli animali grazie alla alta sensitivit e alla risoluzione intrinseca di circa 1 mm 51 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo
17. con uno scanner 3D che utilizza una luce laser strutturata Il modulo muove un sistema costituito da una lama laser e una telecamera su tutto il piano di lavoro lungo la direzione ortogonale al piano della lama laser Durante tale movimento viene utilizzato un segnale di trigger agganciato all encoder del motore del primo asse della catena cinematica Asse X per innescare le acquisizioni asincrone della telecamera Questo al fine di ottenere la corretta sincronizzazione delle immagini acquisite con il movimento effettuato Come risultato della scansione profilometrica oltre al modello in formato VTK Visualization Toolkit che sar gestito e visualizzato dall interfaccia GUI vengono generati due file data vi e data vr contenenti rispettivamente informazioni riguardo al volume di interferenza e al volume da ricostruire Il primo volume costituito dalla somma dei volumi di tutti gli oggetti presenti all interno della spazio operativo della macchina Viene detto di interferenza perch potrebbe venire a contatto con la sonda scintigrafica o altre parti della macchina stessa Ovviamente compito del controllo evitare che ci accada Controllo collisioni Il secondo volume detto di ricostruzione corrisponde a quello occupato dell animale presente sul lettino Sia data vi che data vr sono di notevole importanza per l esecuzione delle scintigrafie planari e tomografiche Scintigrafia planare Questo modulo si occupa di posi
18. condotta nell ORI ha portato alla formulazione ed all analisi di diverse ipotesi di architettura in grado di garantire le feature requirements definite per la macchina ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali movimentazione dei dispositivi prestazioni dimensioni ecc Lo studio dettagliato delle possibili alternative formulate ha portato alla scelta dell architettura finale In particolare dallo studio emersa la necessit di concepire il sistema meccatronico con una configurazione completamente automatizzata dunque senza l intervento di un operatore mettendo in discussione la prima ipotesi di braccio robotico passivo a 6 gradi di libert La formulazione di ipotesi innovative ha portato ad analizzare anche architetture a cinematica parallela PKM potendo nella fattispecie sfruttare le competenze sviluppate dal socio ITIA CNR L architettura denominata ad arco mobile a 4 gradi di libert ha confermato attraverso lo svolgimento delle attivit di seguito descritte il rispetto delle specifiche di movimentazione dei dispositivi gr
19. del compito 35 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 25 Console di SATIS ed interfaccia grafica Figura 26 Interfaccia uomo macchina di SATIS 36 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Linee guida L analisi dell interfaccia SATIS rivolta al miglioramento dell usabilit e dell accettabilit della stessa stata effettuata tenendo presenti le seguenti linee guida valide per interfacce ad uso medicale 1 Ridurre la densit delle informazioni presenti sullo schermo 2 Fornire segnali di navigazione e opzioni 3 Costruzione della UI su una griglia 4 Icone e simboli 5 Tipografia e Terminologia 6 Colori 7 Uso di un l
20. di ridurre la complessit della superficie senza intaccarne il contenuto informativo La superficie 3D risultante mesh potr successivamente essere visualizzata mediante tecniche di grafica Segue una descrizione dettagliata dei componenti Dettagli componenti hardware Telecamera la telecamera il modello Jai Pulnix TM 1402CL 1 2 digitale su protocollo camera link risoluzione SXGA 1392x1040 Essa basata sul sensore SONY ICX205AL progressivo 1 2 15 30 fps particolarmente adatto alla specifica applicazione di SATIS grazie alle sue caratteristiche di risoluzione sensibilit in frequenza tecnologia HAD e qualit Il ridotto ingombro della telecamera permette inoltre una facile installazione in qualsiasi condizione operativa di laboratorio Obiettivo lente passo C focale fissa 12mm formato 2 3 apertura f1 4 16 distanza di lavoro da 15cm a basso valore di distorsione specifica per telecamere ad alta risoluzione Frame grabber frame grabber Active Silicon D48CL PCI32 frame grabber digitale in grado di controllare ed acquisire immagini da telecamere camera link a rates fino a 528MBs Il frame grabber inoltre fornisce l interfaccia necessaria per il triggering dell acquisizione Il driver di acquisizione compatibile Linux Red Hat 8 kernel 2 6 Laser modulo laser Lasiris SNF con lente generatrice di linea frequenza 635 nm fan angle 45 equivalente a una larghezza di scansione di 250mm a una distan
21. di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali sviluppo di un sistema tomografico automatico ed integrato che si distingue nettamente dalla attuale disponibilit del mercato dell offerta sia dal punto di vista delle prestazioni che delle capacit applicative Tale risultato nel suo complesso gi disponibile e direttamente trasferibile in produzione per la realizzazione su piccola serie e o su commessa di tomografi automatici per 1 laboratori di ricerca PAGANI Massimo BASILE Vito OMICIUOLO Manolo NEGRI Simone Pio 80 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario
22. e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 41 Immagini CAD della gamma camera ad alta risoluzione Sezioni ed esploso Progetto preliminare La sonda scintigrafica ad alta risoluzione rappresenta l unit diagnostica fondamentale del sistema meccatronico La tecnologia incorporata nel dispositivo scintigrafico insieme all architettura meccatronica ed al controllo abilitante per il raggiungimento delle prestazioni del dispositivo di diagnostica per immagini SATIS L Imaging Probe consente di ottenere delle immagini scintigrafiche ad alta risoluzione in real time Il dispositivo per piccoli animali stato sviluppato per ottimizzare la sensitivit della macchina in funzione del requisito di alta risoluzione richiesto in tale campo Il sistema scintigrafico si compone di due unit 1 Unit di alimentazione e interfaccia 2 Testa di acquisizione Il know how della gamma camera protetto da diversi brevetti internazionali 50 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli
23. l acquisizione di dati tramite sonda scintigrafica e la corretta visualizzazione degli istogrammi cs Sviluppo dei moduli relativi al profilometro Quest ultima attivit ha richiesto la progettazione e l implementazione di moduli che gestiscono 1l posizionamento del profilometro in un area dello spazio predefinita corrispondente al lettino del piccolo animale l acquisizione dei dati di scansione ottica e la memorizzazione del volume risultante in formato adeguato alla visualizzazione all interno dell interfaccia L implementazione di tali moduli stata articolata nelle seguenti fasi cs integrazione all interno del framework delle librerie software di acquisizione dati tramite profilometro sviluppate da EMagine IT e sviluppo del modulo software che gestisce la digitalizzazione la ricostruzione volumetrica e la memorizzazione in formato vtk del volume acquisito cs integrazione all interno del framework delle librerie software di posizionamento del profilometro e separazione del volume di lavoro e sviluppo del modulo software che gestisce la corrispondenza dello spazio di visualizzazione con il sistema di riferimento meccanico cs sviluppo del modulo di coordinamento MAIN dei task che permettono all utente di comandare l acquisizione ottica del profilo del piccolo animale tramite profilometro e la corretta visualizzazione del volume cs Sviluppo dei moduli relativi al puntamento ottico Sono stati progettati
24. lo sviluppo di interfacce interattive con ogni probabilit la parte di lavoro pi intensa e difficile nel processo di sviluppo di strumenti informatici Per avere un idea di ci basti pensare che il 50 del codice di un moderno software dedicato all interfaccia e che il 75 delle revisioni di software riguardano ancora l interfaccia Le principali ragioni di ci risiedono nel fatto che progettare un interfaccia prevede una variet di scelte e decisioni progettuali che coinvolgono gli utenti e 1 possibili compiti che potranno essere svolti sull interfaccia e la gran parte delle conseguenze di queste decisioni sono impredicibili L interfaccia uomo macchina stata curata nei minimi particolari E questo infatti uno degli aspetti a cui gli utilizzatori finali sono molto sensibili Il software messo a punto dal gruppo di ricerca ha studiato tutta la sequenza di possibili scelte operabili da un utente Esso guida l operatore della macchina a gestire con estrema razionalit efficienza e semplicit le operazioni tipiche Il sistema stato valutato e sviluppato tenendo presente il profilo utente sia per quanto riguarda le conoscenze esperienze che le caratteristiche del lavoro e i compiti si tratta di medici chirurghi o assistenti medici che generalmente possiedono un livello medio di cultura informatica che hanno un buon livello di conoscenza della lingua inglese che adoperano frequentemente il sistema con alta esperienza
25. metodiche normalmente utilizzate in Medicina Nucleare Queste ultime prevedono la somministrazione al paziente o al piccolo animale di un radiofarmaco un radionuclide o una molecola che incorpori o che sia legata ad esso scelto in modo che si comporti come tracciante di una particolare funzione biologica e che pertanto si concentri nel sistema bersaglio che pu essere un apparato un organo un tessuto o un insieme di cellule La generazione delle immagini basata sulla rivelazione della distribuzione spazio temporale delle sostanze radioattive emesse durante il decadimento nucleare La peculiarit delle immagini scintigrafiche sta nel fatto di essere funzionali cio espressione morfologica di una funzione vitale Il sistema scintigrafico innovativo ad alta risoluzione consente di registrare la distribuzione nell organismo del radiofarmaco attraverso la rivelazione dei fotoni y da questo emessi La testa di rivelazione utilizza un nuovo tipo di collimatore a fori quadrati in cui sono inseriti singoli cristalli di scintillazione di CsI Tl accoppiati ad un tubo fotomoltiplicatore sensibile alla posizione di ultima generazione La configurazione e funzionamento della testa di rivelazione consente di misurare con ottima precisione la posizione degli eventi che sono stati emessi dal corpo garantendo un ottimo sistema di localizzazione di zone ad alta captazione di radiofarmaco Questa precisione permette al sistema di essere utiliz
26. sistema multi thread che permette di restituire all utente dati parziali anche durante la fase di acquisizione al fine di poter realizzare un sistema di imaging real time 52 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali libgcam libsage Sistema kernel Figura 45 Schema dei layers del software della sonda scintigrafica Le funzioni principali fornite per la gestione della gamma camera sono Connessione disconnessione del sistema Impostazione del tipo di isotopo L Te L Ci Impostazione del tipo di acquisizione per tempo per conteggio libera Impostazione del parametro di acquisizione tempo o conteggio Impostazione del numero di canali per lo spettro di energia Impostazione della finestra di reiezione degli eventi Compton Start stop della fase di acquisizione Restituzione delle grandezze tempo di acquisizione rateo conteggi e dei dati acquisiti anche durante la fase di acquisizione dati parziali Restituzione delle caratteristiche della macchina Funzioni di debug 53 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia
27. tutta la fase di calcolo delle coordinate cartesiane del target diagnostico individuato attraverso le immagini elaborate e la generazione dei comandi per il dispositivo di puntamento ottico laser Per quanto riguarda queste particolari funzionalit il cuore del sistema consiste negli algoritmi ottimizzati di trasformazione di coordinate di inversione della cinematica diretta e inversa e ovviamente al gi citato algoritmo di pianificazione e controllo traiettorie del puntatore laser Il sistema di controllo deve interagire con 1 dispositivi di acquisizione e con gli attuatori pertanto stato implementato un modulo di Controllo Logico in grado di gestire gli stati della macchina acquisire gli eventi e comandare i vari dispositivi Lo sviluppo del sistema di controllo prevede l uso di strumenti di simulazione di un modello di macchina integrati ad ambienti di sviluppo in grado di modellizzare il sistema di controllo stesso Come detto il sistema di controllo si occupa di generare i riferimenti di velocit profili ed accelerazione e di tradurli in valori di forza e coppia necessari all inseguimento di traiettorie generate ex ante dal sistema di controllo stesso per eseguire le scansioni con i dispositivi di acquisizione In breve il modello per la generazione dei riferimenti di cui sopra riceve in ingresso 1 segnali misurati dai sensori li elabora implementando una regolazione e genera in uscita 1 segnali di coppia e
28. verso l alto una rotazione Asse A corsa 90 che consente alla y Camera un pi efficace posizionamento attorno all oggetto da esaminare Il centro di rotazione di questa grado di libert mobile con l asse Z e non coincide con il centro di rotazione dell asse circolare C La rotazione avviene con valori di circa 90 rispetto all iniziale posizione verticale rr 4 Li LAS 1 Figura 11 Immagine di una scansione scintigrafica Nella foto ben visibile la capacit di SATIS di posizionare la sonda scintigrafica ad una distanza molto piccola dal piccolo animale 21 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Architettura meccatronica Nella struttura possibile riconoscere i seguenti macro componenti o sotto assemblati Carrello e vano apparati elettrici ed elettronici Elettronica di comando PC Hardware Alimentazioni Circuiti elettrici di protezione Console ecc Struttura meccanica di base e catene cinematiche assi X lineare e C Circolare Gruppo di rilevazione ed attuazione o Testa del dispositivo mecc
29. 1 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 53 Scansione con il profilometro di SATIS durante i test di validazione pre clinica eseguite presso lo stabulario di Roma Tor Vergata 69 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Integrazione nel Software SATIS I moduli funzionali integrati sono 1 seguenti Algoritmo di merging di acquisizione Algoritmo di decimazione delle acquisizioni Algoritmo di meshing Export in formato VTK Visualization Tool Kit ga amp amp amp All interno dell OR4 inoltre stata eseguita l attivit di definizione concezione e sviluppo della piattaforma hardware e software Quest ultima attivit ha previsto il completamento delle seguenti fasi di sviluppo
30. 2005 e si completato proprio nel dicembre dello scorso anno 55 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali L OR3 era finalizzato allo sviluppo ed all implementazione del sistema di controllo della macchina SATIS Attivit 3 1 Studi e progettazione del sistema di controllo Il sistema di controllo implementato sulla stazione svolge essenzialmente i seguenti compiti cs Esegue e monitora tutte le operazioni che comportano interazioni fisiche della macchina con l ambiente esterno movimenti di parti scambi di calore accensione e spegnimento di fonti luminose ecc cs Stabilisce quali delle suddette operazioni combinare in operazioni pi complesse per implementare ciascuna funzionalit della macchina Scansione profilometrica acquisizione planare tomografia puntamento laser monitoraggio e controllo dei parametri biometrici dell animale cs Consente mediante l utilizzo di alcuni particolari algoritmi la possibilit di sfruttare al massimo le potenzialit della sonda scintigrafica cs Monitorare alcuni parametri biometrici del pic
31. CT e localizzazione radioguidata su piccoli animali e Indagine di mercato e Analisi delle soluzioni tecniche e tecnologiche Analisi del quadro delle normative e delle Direttive in ambito biomedicale e dei sistemi di diagnostica per immagini Definizione delle specifiche del sistema meccatronico Definizione delle Feature Requirements Definizione e sviluppo dell architettura meccatronica Tutela della Propriet intellettuale dei risultati della ricerca Sviluppo della sonda scintigrafica ad alta risoluzione Definizione e sviluppo del dispositivo di acquisizione e ricostruzione 3D della geometria a luce strutturata Morfologia Concezione e sviluppo del Sistema di controllo Studio ed implementazione del SW e HW di sistema Definizione e sviluppo dell architettura SW e HW Stato dell arte sui protocolli di comunicazione e sugli standard per il trasferimento dei dati dai dispositivi di rilevamento Gamma camera Dispositivo luce strutturata CT Scan ecc e Ecce Le attivit di ricerca hanno interessato le seguenti unit Sistema meccatronico ORI Sondascintigrafica ad alta risoluzione OR2 Sistemadi controllo OR3 Dispositivo di acquisizione della geometria dei corpi Scanner 3D OR4 Per quanto riguarda le attivit di RI la parte pi rilevante stata lo sviluppo del sistema di controllo della macchina OR3 In parallelo a questa attivit si proceduti con la realizzazione SP del prototipo in tu
32. NR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Applicazioni Risorse Desktop JARA A mer 21 mar 1859 Q i File View Options Analysis Heip Modulus 5 N i Lia Qi 8 y dr iie bg oaa Oj igoke Jai ret Orj Cortke J Daj met3 Le ting Fal More Mil erting J aJ seme ij hetig Fal More valumes E GammaCa danicla sat ox Esplor danicla cat con SATI C 30 Viewer C SATIS 10404 RD Viewer OLD Figura 64 Scintigrafi cardiaca Applicazioni Risorse Desktop Tae a 5 O mer 21 mae 17 04 Q i n a File View Options Analysis Help ID Viewer 3t Modulus j Data Help SPECTRUM 2 EC DACK SAVI EXIT _ 1 _ lmages Es GammaCa dariela sat c Esplor dariela sat kcon SATI C 30 Viewer C SATIS LOrc4 CI 20 Viewer fre Figura 65 Immagine multimodale zona cardiaca 78 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un pr
33. Tech sonda scintigrafica vedi OR2 e da E MaginelIT scanner 3d vedi OR4 Si tratta sostanzialmente di Pattern di calibrazione Per quanto riguarda la gamma camera si utilizzano fantocci con ben definite dimensioni e con una sorgente di raggi gamma mentre per il profilometro si utilizza un pattern a luce strutturata impiegante dei LED Affidabilit Un aspetto a cui stata data importanza l affidabilit dei vari componenti Anche se si tratta di un prototipo l affidabilit va comunque considerata perch la stessa macchina deve sopportare numerosi test di validazione e di conseguenza numerose ore di esercizio Del resto nelle applicazioni meccaniche importante conoscere la durata nominale della vita di un componente per questioni strutturali affidabilistiche e di manutenzione Conoscendo i carichi dinamici che interessano 1 vari componenti installati si pu calcolare la loro durata nominale in modo che a valori percentuali di essa si possono effettuare verifiche ispettive interventi manutentivi e eventualmente la sostituzione delle parti Per i particolari che lo richiedevano stata necessaria una verifica a fatica ovvero una progettazione che tenesse particolarmente in conto delle sollecitazioni cicliche dinamiche del componente garantendo una durata elevata Infine per tutti i componenti a catalogo per quanto possibile stata calcolata la durata nominale di vita Interfaccia HMI La progettazione e
34. UH ani vi ORNGHO Vazionate delle S icerche Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione ITIA Pii r Concezione sviluppo progettazione e realizzazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Pagani Massimo Basile Vito Omiciuolo Manolo Negri Simone Pio ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali INDICE 1 EXECUTIVE SUMMARY Pag 3 2 PROTOTIPO PER L ESECUZIONE AUTOMATICA DI TOMOGRAFIE Pag 8 SPECT E LOCALIZZAZIONE RADIOGUIDATA SU PICCOLI ANIMALI 2 1 OR1 Architettura meccatronica Pag 8 2 2 OR2 Sonda scintigrafica Pag 48 2 3 OR3 Sistema di controllo Pag 55 2 4 OR4 Sistema di acquisizione e ricostruzione immagini Pag 59 2 5 Utilizzabilit dei risultati Pag 79 2 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destin
35. Un componente importante del prototipo SATIS il carrello Esso ha il compito di essere un supporto mobile per la macchina robusto e affidabile al tempo stesso avere un design compatibile con la macchina vera e propria costituire un alloggiamento per tutti 1 componenti della macchina come il PC la componentistica elettronica la console di comando costituita da monitor tastiera e touchpad L obiettivo ottenuto costituito da una struttura leggera facile da montare e da regolare robusta e affidabile Per la realizzazione del carrello sono stati utilizzati profilati in alluminio anodizzato gi utilizzati per la struttura della macchina Si fatto in modo che rispettando le misure il carrello abbia una forma che si allinei perfettamente con la sagoma della macchina che dovr sostenere Concettualmente il carrello una struttura tridimensionale rigida che sostiene un carico distribuito di circa 40 Kg ovvero circa 400 N Figura 13 A sinistra la macchina SATIS carrellata e con maniglie di manovra A destra un dettaglio delle ruote antistatiche dotate di sistema di stazionamento 23 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo p
36. Valini sariari Value Magra Display Props Help MIDTE dante hum WindowlLevet ano fm vie ese IT wr A imini k E hania satiho fel Esplorazione E Giuseppe tcl i fsli E tkcon SATIS 1 040 I 30 viewer I O SATIS Lires E 20 Viewer fi Figura 57 Immagine scintigrafica planare Scheletro 74 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 58 Immagine ottenuta da una scansione planare del profilometro Scanner 3D Applicazioni Risorse Desktop ABGSZSNE amp File View Options Analysis Help jio 22 mar 14 28 Q 0 x 2D Viewer Modules Data Help START STOP Trends Messages MONITOR Acquisition Time 240 seconds Total Events 38439 counts Events in window 19801 counts Total rate 174 066 counts second Rate in window 424119 counts second SPECTRUM Gi a daniela satis ho D tel Esplorazione file Z GammaCamera tcl tkcon SATIS 1 0 rc4 3D Viewer O SATIS 1 0 rc4 O 2D Viewer m OR F
37. W l operatore in grado di visualizzare elaborare ed interpretare le informazioni ottenute dai dispositivi di acquisizione e di localizzare eventuali regioni di interesse su cui eventualmente intervenire con opportuni attuatori chirurgici L operatore in grado di contrassegnare tale regione con un marker e attraverso il riferimento ad un sistema cartesiano assoluto per la macchina WCS in grado di comandare il sistema di puntamento laser dotato di 4 gradi di libert affinch tale punto venga indicato e visualizzato direttamente sul piccolo animale I risultati raggiunti dalle attivit svolte nell ambito dell OR4 corrisponde a quanto preventivato in fase di proposta di progetto Qui di seguito vengono proposte alcune immagini diagnostiche ottenute in laboratorio mediante il sistema SATIS 72 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali LD 90029 mar Du Medel miatt Walami mafas Waban is tograminea WindowLevet mco fi win priz T wpa TT Threshold ace M cp a EEATT Esglor Pt CanmaCam 9 miiotschele 00 dani
38. a stata sviluppata realizzata collaudata e sottoposta a calibrazione e validazione Attivit 1 1 Studi e Progettazione dell architettura meccatronica Il primo passo dell attivit in oggetto consiste nella ricerca dello Stato dell arte sui sistemi meccatronici di diagnostica per immagini La sonda scintigrafica ad alta risoluzione e le tecniche di fusione di immagini diagnostiche fanno del sistema meccatronico sviluppato con il progetto un prodotto unico ed innovativo La prima fase ha riguardato per lo pi l architettura meccatronica da sviluppare A partire dall analisi delle specifiche relative ai dispositivi di acquisizione e dalle prestazioni e funzionalit da implementare nella macchina si giunti alla definizione dei movimenti che tali dispositivi dovranno eseguire nello spazio di lavoro Da questo studio preliminare emerso che il sistema meccatronico in oggetto dovr essere in grado di eseguire scansioni classificabili in Scansioni planari Scansioni Cilindriche Scansioni 3D a 4 gradi di libert La fase di definizione dell architettura meccanica del prototipo ha tenuto conto anche delle prestazioni obiettivo da raggiungere ovvero Configurazioni macchina Ingombri Gradi di libert Assi e corse Materiali Alimentazioni elettriche Interfacce elettroniche Classe di precisione Accuratezza e ripetibilit di posizionamento EGG L attivit A1 1
39. a riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Assemblaggio Asse X Figura 5 Assemblaggio carrello 14 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Assemblaggio Asse circolare C Figura 6 Fase di assemblaggio e verifica dell arco gantry e dell asse circolare C 15 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Assemblaggio carrello e apparecchiature elettriche ed elettroniche Figura 7 Immagini della fase di assemblaggio e verifica carrello macchina ed apparecchiat
40. adi di libert vincoli di tracciatura delle traiettorie degli end effector corse ecc e delle prestazioni attese ripetibilit precisione statica e dinamica carico pagante L analisi comparata basata su parametri quantitativi stimati mediante simulazioni ha fatto ricadere la scelta su questo tipo di architettura Il piccolo animale e o l organo esterno mano piede ecc posto sul Piano Operativo della macchina oggetto di scansione da dispositivi di acquisizione sonda scintigrafica dispositivo a luce strutturata ecc fissate su un arco a sua volta montato su una slitta movimentata lungo l asse longitudinale rettilineo asse X Sull arco montata una guida circolare che permette la movimentazione intorno al piccolo animale e o all organo esterno su un piano trasversale verticale Si tratta di un asse circolare denominato asse C di rotazione intorno all asse longitudinale del piccolo animale anche asse longitudinale della macchina Sulla guida circolare presente un asse rettilineo asse Z in grado di movimentare in senso radiale il dispositivo di rilevamento Infine sul carrello dell asse Z possibile far ruotare Asse A il dispositivo di acquisizione intorno ad un asse longitudinale Riepilogando secondo un architettura seriale a partire dalla base della macchina gli assi si susseguono con il seguente ordine Asse X rettilineo longitudinale di movimentazione dell arco Asse C circolare a
41. are la temperatura della superficie del lettino Le resistenze sono applicate su tutta l area ricoperta dal topo o ratto Il sensore di temperatura posizionato in un apposito vano ricavato in corrispondenza della regione tra testa e corpo dell animale Nel dettaglio il controllo in temperatura del lettino anatomico di tipo On Off Come detto esso utilizza un sensore di temperatura della Analog Device e delle resistenze flessibili ed adesive Il tutto integrato nel lettino Il controllo demandato al microcontrollore di uno dei quattro motori 46 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali della macchina che tramite un ingresso analogico monitora la temperatura e tramite una uscita digitale pilota una schedina di potenza che alimenta le resistenze Figura 40 Immagini del lettino sensorizzato e dotato di controllo di temperatura Nelle immagini sono visibili il sensore di temperatura in alto a destra il connettore di interfacciamento del controllo in basso a sinistra e le resistenze in rosso 47 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A
42. atario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali 1 EXECUTIVE SUMMARY Le attivit descritte nel presente documento sono state svolte in collaborazione con il consorzio Sintesi S c p A di Modugno Il Consiglio Nazionale delle Ricerche socio maggioritario del consorzio Sintesi e PITIA stato coinvolto nel progetto SATIS per le attivit di sviluppo del prototipo Dopo le fasi iniziali a carattere esplorativo si passati alle attivit di studio concezione sviluppo ed analisi di fattibilit del sistema meccatronico di diagnostica per immagini in tutte le sue componenti La macchina sviluppata con il progetto stata denominata S A T I S acronimo di Small Animal Tomographic Imaging System y 6 Figura 1 Immagine del prototipo SATIS sviluppato durante il progetto Le attivit preliminari di carattere esplorativo hanno riguardato e Stato dell Arte sui sistemi di robotica da laboratorio per la diagnostica in vivo ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPE
43. atronico dotata di Gamma Camera Scanner 3D e laser di puntamento Ripari e coperture La struttura complessiva della macchina modulare Una volta definite le interfacce meccaniche ed elettriche tra i vari moduli dell architettura le tre unit pi importanti carrello struttura meccanica di base e testa sono state sviluppate e realizzate in parallelo Vedi capitolo 1 figure 3 8 Le 4 componenti sopra citate sono state progettate e realizzate nel rispetto dei vincoli di sicurezza rispondenza alle normative vigenti Normativa macchine CEI ecc ergonomia e manutenibilit Figura 12 Dettaglio dell architettura meccatronica del prototipo SATIS di diagnostica in vivo per immagini Le catene cinematiche le interfacce e le trasmissioni meccaniche sono molto rigide e garantiscono alta precisione sia in termini di accuratezza che ripetibilit 22 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Per quanto riguarda il controllo di posizione tutti gli assi sono dotati di encoder relativi ed interfaccia dati seriale Carrello macchina SATIS
44. bilit della tecnica diagnostica ecografica La manipolazione della sonda ecografica difficile da automatizzare ed oggi non esiste sul mercato nessuna macchina in grado di eseguire una ecografia automatizzata Sulla base di queste considerazioni se ne deduce che per l integrazione 5 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali di una sonda ecografica necessario considerare un impegno significativo di personale medico in grado di agire sul piccolo animale Questo concetto va contro la filosofia espressa dalla macchina SATIS in quanto l obiettivo quello di realizzare un dispositivo completamente automatizzato che richieda un basso impegno se non in termini di competenze medico diagnostiche dell operatore o La tecnologia di scansione ecografica non detenuta da ITIA CNR Se l obiettivo concepire prodotti ad alto valore aggiunto allora necessario concentrare le proprie risorse sullo sfruttamento delle competenze e del know how di ITIA CNR evitando per quanto possibile di assemblare tecnologia sviluppata da altri Nel caso specifico viste le
45. bito applicativo a cui orientato il sistema meccatronico di diagnostica per immagini rende indispensabile l integrazione dei cablaggi all interno della struttura L attivit di sviluppo elettrico dei cablaggi si concentrata sullo sfruttamento di caratteristiche degli elementi strutturali e sul rispetto delle normative vigenti La sensoristica del sistema meccatronico rappresentata dai trasduttori di posizione Gli encoder accoppiati ai motori che comandano gli assi sono stati considerati i componenti in grado di garantire la precisione e la flessibilit di utilizzo Le attivit di sviluppo indicate hanno avuto come era lecito attendersi alcuni aspetti critici che possono brevemente riassumersi nei seguenti punti cs Riduzione degli ingombri specialmente per quanto riguarda lo sviluppo delle cinematiche degli assi In particolare per l arco mobile denominato asse X e asse Z accoppiato all asse A cs La problematica di gestione e trasferimento dei segnali di acquisizione e di potenza alimentazioni di motori e dispositivi di rilevamento ha reso necessario l impiego di particolare componentistica per il cablaggio sulla struttura cs La rigidezza strutturale e la riduzione delle vibrazioni indotte dalle sollecitazioni di inerzia ha reso necessari alcuni accorgimenti accurato dimensionamento con successive verifiche ciclo di sviluppo dell arco mobile l uso di opportune flangie di ancoraggio degli assi alla struttura
46. cato Il sistema meccatronico ha implementate funzioni di e Controllo collisioni e Controllo in sagoma e Controlli e blocchi di emergenza Questi accorgimenti molto importanti rendono SATIS molto sicura sia per l operatore sia per la sicurezza intrinseca della macchina La normativa di riferimento sul tema la Normativa macchine ed in particolare UNIEN ISO 12100 1 Sicurezza del macchinario Concetti fondamentali principi generali di progettazione Parte 1 Terminologia di base metodologia UNI EN ISO 12100 2 Sicurezza del macchinario Concetti fondamentali principi generali di progettazione Parte 2 Principi tecnici UNI EN ISO 10218 1 Robot in ambiente industriale Requisiti per la sicurezza Parte 1 Robot Lettino anatomico di supporto del piccolo animale Il paziente piccolo animale viene immobilizzato su un supporto anatomico realizzato in polimero resina epossidica attraverso prototipazione rapida di stereolitografia STL Figura 34 Prototipi dei lettini intercambiabili realizzati mediante prototipazione rapida STL Misura per ratti giovani e adulti a sinistra e per topi a destra Il supporto dotato si un sistema di ancoraggio modulare con un punto fisso rappresentato dalla posizione della parte posteriore del corpo dell animale La modularit e la conseguente 42 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura con
47. colo animale temperatura e controllare la temperatura del lettino anatomico Termoregolazione Segue una descrizione pi dettagliata del controllo che mette in luce gli aspetti funzionali l hardware utilizzato e qualche cenno alla programmazione del codice SW ed alle classi c implementate Moduli funzionali Il sistema pu essere suddiviso in funzioni appartenenti a differenti livelli o layers si veda lo schema di fig 1 Lo schema deve essere interpretato come segue Le funzioni di ciascun livello demandano compiti a quelle di livello pi basso e queste ultime di conseguenza eseguono funzioni per quelle di livello pi alto Scansione profilometrica Scintigrafia planare Scintigrafia tomografica Puntamento radioguidato Calcolo traiettorie Calcolo volumi Inversione cinematica Movimento assi Termoregolazione lettino Figura 47 Schema dei livelli e dei moduli di sviluppo del controllo del sistema 56 meccatronico di diagnostica per immagini E o o F Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Scansione profilometrica Scanner 3D Tale modulo funzionale si occupa di eseguire un acquisizione
48. colo dei volumi Si tratta di un modulo che viene utilizzato durante la scansione profilometrica e si occupa di individuare i volumi di tutti i corpi presenti nello spazio operativo ed il volume da ricostruire ossia il volume occupato dall animale Inversione cinematica E il modulo che a partire dal modello cinematico della macchina consente di ottenere per ogni posizione nello spazio operativo del sonda scintigrafica la corrispondente posizione dei giunti della macchina La legge oraria generata dal modulo di calcolo delle traiettorie viene trasportata nello spazio dei giunti prima di essere eseguita Movimento assi Tale modulo funzionale si occupa di muovere la macchina sia un asse alla volta che come avviene nella maggior parte dei casi con un movimento combinato di tutti gli assi Data una legge oraria che descrive il movimento nello spazio dei giunti il modulo si occupa di farla eseguire fisicamente alla macchina azionando gli assi Termoregolazione lettino Si tratta di un modulo che monitora costantemente la temperatura del lettino e quella dell animale e stabilisce di conseguenza se fornire attraverso delle resistenze montate sul lettino stesso pi o meno calore L obiettivo garantire che la temperatura dell animale sia nella norma Hardware e software Il controllo della stazione viene effettuato quasi per intero dalla workstation modello hp WS9300 installata sulla macchina Alcune funzioni di controllo
49. competenze richieste una eventuale partnership con un azienda che sviluppa questo tipo di tecnologia sarebbe stata molto gravosa Attualmente l orientamento che prevale nei laboratori di ricerca quello di disporre di 2 macchine separate diagnostica ecografica e diagnostica scintigrafica Tale scelta motivata sia da aspetti economici che di tipo tecnologico o Costo di acquisto Il costo della sonda ecografica per piccoli animali rilevante Attualmente esiste sul mercato mondiale una sola azienda canadese che produce questo tipo di dispositivi e di macchine per ecografia o Complessit della fusione di immagini ecografiche La natura stessa delle immagini ottenute con ecografia ovvero mediante sonda ad ultrasuoni non permette una agevole fusione delle informazioni ottenute con questa tecnologia E necessario un ulteriore sviluppo che richiede un impegno di risorse economiche e di personale significativo La macchina SATIS comunque predisposta sia a livello software che hardware per l implementazione di un dispositivo diagnostico ecografico come evoluzione futura del sistema di diagnostica Il software di SATIS concepito per la gestione l elaborazione e la visualizzazione di immagini multi modali Naturalmente nessun costo grava sul presente progetto per quanto concerne questa unit funzionale Sistema di visione stereoscopica 3D Questa unit funzionale stata integrata con successo nella macchina Le prestazi
50. compromessa nell integrazione cs Test di stress L obiettivo far eseguire ripetutamente al sistema un ciclo di task e verificarne il comportamento in presenza di sovraccarico di thread cs Ottimizzazione e stabilizzazione del sistema software In seguito alla fase di debug e test del software si provveduto a stabilizzare il sistema software migliorare il meccanismo di archiviazione degli esami scintigrafici effettuati e ottimizzare l aspetto e la navigazione dell interfaccia utente Per quanto riguarda la sottoattivit relativa allo sviluppo del modulo software di acquisizione dati tramite sonda scintigrafica essa stata completata ad opera della Li Tech che ha fornito il prodotto sottoforma di librerie software oltre al dispositivo hardware di rilevamento di raggi gamma Gamma Camera Vedi OR2 Lo sviluppo del modulo software di acquisizione dati tramite profilometro come detto stato completato dalla EMagine IT che ha fornito il prodotto sottoforma di librerie software oltre al dispositivo hardware di scansione ottica composto da telecamera obiettivo filtri interferometrici lama laser schede di acquisizione ecc Ricapitolando l acquisizione la visualizzazione l elaborazione e la gestione delle immagini diagnostiche e morfologiche garantita dal software sviluppato nell OR4 e dall interfacciamento con il modulo di controllo sviluppato nell OR4 Attraverso lo sviluppo di un adeguato framework S
51. di 0 1 1 mm e 0 1 1 rispettivamente per posizioni lineari e angolari Infatti la scelta di realizzare una vera e propria macchina carrellata stand alone ha permesso di raggiungere rigidezze e precisioni elevate Durante la sessione di prove di calibrazione stata stimata una precisione di posizionamento dell ordine di 0 1 0 2 mm Strumento diagnostico Sonda scintigrafica La sonda ecografia ad alta risoluzione sviluppata dal partner Li Tech lo strumento diagnostico principale di SATIS La SPECT ottenibile con questo strumento ha una risoluzione di 1 2 mm Questo dato rende possibile diagnosi su lesioni molto precise e affidabili La sonda Li Tech stata integrata con successo nel dispositivo SATIS come previsto da progetto Il software sviluppato si interfaccia con il sistema di controllo e con l interfaccia grafica e consente la visualizzazione di immagini morfo funzionali e multi modali fusione con dati anatomici molto significative dal punto di vista diagnostico Strumento diagnostico Sonda ecografica La sonda ecografica prevista da progetto non stata integrata nel sistema meccatronico SATIS Durante le prime fasi del progetto sono stati condotti diversi studi e ricerche volte a verificare la fattibilit tecnico economica e l opportunit di includere tale dispositivo diagnostico La scelta di non integrare l ecografia giustificato dalle seguenti considerazioni o Complessit di manipolazione e Scarsa automatizza
52. di fare acquisizioni anche in presenza di forti disturbi di luminosit ambiente di lavoro la risoluzione richiesta l estensione dell area di scansione il supporto meccanico tempi di sviluppo e consegna ecc Un vincolo molto importante stato lo sviluppo del software relativo al posizionamento e all acquisizione Esso deve rispondere a determinate specifiche per l integrato nella piattaforma SW sviluppata da Sintesi Pertanto oltre all ISIB CNR sono state prese in considerazione altre aziende fornitrici di Hardware e Software per sistemi di scansione ottica sistemi di visione artificiale data mining ricostruzioni 3D ecc Le fasi precedenti allo sviluppo vero e proprio del profilometro sono state finalizzate a Individuazione delle specifiche del sistema di ricostruzione 3D a luce strutturata lama laser Definizione di un capitolato di fornitura Individuazione di possibili fornitori Valutazione economica e tecnica delle offerte ottenute Scelta del fornitore e definizione delle fasi di sviluppo Il fornitore che ha dato maggiore garanzia di rispetto dei vincoli economici tecnologici e temporali stata la E Magine IT S r l di Genova Questa azienda nata da uno spin off del I N F M e del Dipartimento di Scienze dell informazione dell Universit di Genova Definito un capitolato tecnico per la fornitura dello scanner 3D per il sistema meccatronico di diagnostica per immagini la E magine IT s
53. e 9 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali dell arco mobile Le analisi dinamiche inoltre hanno permesso di stimare con accuratezza le coppie le potenze e le accelerazioni richieste ai singoli motori del sistema robotizzato conseguendo il vantaggio significativo di ottimizzarne il dimensionamento oltre che degli organi meccanici dei componenti strutturali ecc L ottimizzazione in oggetto ha portato benefici anche in termini di ingombri e peso della macchina L attivit di sviluppo meccatronico di dettaglio consistita nella scelta e nel dimensionamento dei componenti strutturali sulla scorta dei risultati ottenuti dalle analisi e simulazioni dell offerta di componentistica normalizzata a catalogo e dello studio dei processi produttivi relativamente alla componentistica speciale ovvero sviluppata ad hoc per la specifica soluzione meccatronica Un aspetto fondamentale dello sviluppo dell architettura meccatronica riguarda lo sviluppo elettrico ed elettronico ovvero il trasferimento dei segnali di comando e di potenza Lo specifico am
54. e implementati i moduli che gestiscono il posizionamento e l attivazione del laser di puntamento nel punto dello spazio selezionato dall utente tramite interfaccia marker sulle isosuperfici e sulle slices del volume visualizzato 71 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Collaudo del sistema hardware e software Il collaudo del software stato condotto attraverso il debug dell intero sistema al fine di evidenziare eventuali carenze di correttezza completezza e affidabilit I test che sono stati eseguiti sono i seguenti cs Test prestazionale Le prestazioni sono state valutate sia a livello applicativo che in termini di risorse hardware impegnate CPU memoria aree di swap ecc cs Test di carico Il test consiste nel far eseguire al sistema i task pi pesanti con cui esso pu operare e verificarne il comportamento in presenza di sovraccarico delle risorse hardware e software cs Test di regressione eseguito in presenza di ogni una nuova funzionalit introdotta al fine di evitare che la qualit dei moduli software preesistenti non venga
55. e ricostruzione delle immagini L attivit 4 1 stata articolata in diverse sotto attivit distinte Work breakdown structure WBS 4 1 1 Definizione e sviluppo della piattaforma HW e SW 4 1 2 Sviluppo del modulo software di gestione della sonda scintigrafica e delle acquisizioni effettuate con questo dispositivo di rilevamento 4 1 3 Sviluppo del modulo di scansione ottica di digitalizzazione ricostruzione e visualizzazione di geometrie 3D La sottoattivit 4 1 1 prevede la definizione e lo sviluppo di tutta la piattaforma Hardware e Software del sistema meccatronico Le fasi previste sono le seguenti Definizione delle Feature requirements Fase preliminare di analisi e studio del dispositivo progettato con particolare attenzione alle caratteristiche a livello funzionale e tecnologico che devono essere fornite dal sottosistema HW e SW Tale analisi determina la definizione delle funzionalit individuate sotto forma di casi d uso del dispositivo da parte dell utente finale 59 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Concez
56. econdo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Manutenibilit e trasportabilit La macchina completamente apribile di tutti e 4 i lati del carrello Questo accorgimento rende particolarmente semplici e rapide operazioni di manutenzione sia sugli apparati elettrici ed elettronici che alla meccanica Anche gli altri accorgimenti relativi alla smontabilit interfacce elettriche e meccaniche sono state studiate per migliorare l efficacia di interventi tecnici Tutte le superfici di SATIS sono perfettamente lavabili e igienizzabili SN E Pa Figura 32 Accessibilit agli apparati elettrici ed elettronici di SATIS 40 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali ha I Figura 33 Accesso alle apparecchiature elettriche ed elettroniche Trasportabilit La macchina SATIS presenta i seguenti ingombri massimi Altezza Hmax 1400 mm Larghezza L 700 mm Lunghezza L2 900 mm
57. ela Esp CI icon SATI M 30 Viewer sano CEA gi Figura 54 Immagine di una scansione planare con fusione di i immagini scintigrafiche ed anatomiche Apgicazioni Riose Detto Poesie ED 90 22 mar 19 46 DI Filo view Options Analysis Help ZO View i TER Modules 1 E tanieta satis no E hel Esplorazione A Giuseppe tci sti I tecon SATIS 10 24 I 30 viewer O sansi M2z0 viewer MIDO Figura 55 Selezione delle aree di interesse per l indagine tomografica 3d parziale 73 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali fi Appbcazioni Rigore Deskop dea Z File Wew Options Analysis Help 9022 mar 19 53 DI 30 Viewer X Valami Haa Voleme istagranizsa darvela satis bo E jiel Esplorazione E Giuseppe tel sti DI ticon SATIS 1 04 DI 30 viewer O SATIS Lires O 20 Wiewer DOZNI Figura 56 Immagine scintigrafica planare Scheletro d Applicazioni Risone Deskop E A a A D 9022 mar 19 59 DI QURRLII SCLNL
58. er l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 14 Immagine ad alta definizione di SATIS Layout ed Assemblaggi Il layout e gli assemblaggi delle unit funzionali sono stati studiati per garantire sicurezza della macchina flessibilit di utilizzo massima qualit delle acquisizioni ottimizzazione degli spazi compattezza e massimo volume di lavoro migliore comportamento statico e dinamico della macchina ergonomia e manutenibilit modularit e riconfigurabilit design piacevole 24 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Testa di rilevazione La progettazione l analisi l assemblaggio del gruppo funzionale denominato Testa di rilevazione stata una fase molto delicata dello sviluppo Questa macro unit comprende Asse Z lineare Asse A rotativo per gamma camera e laser di puntamento Testa di rilevazione scintigrafica e relative interfacce Telecamera Scanner 3D e relative interfacce Lama laser Scanner 3D Lase
59. era vengono fuse alle informazioni anatomiche ottenute dalla scansione ottica e dalla successiva ricostruzione della geometria per generare immagini multi modali di notevole interesse clinico diagnostico e di facile interpretazione La ricostruzione stereotassica che si ottiene all interno di uno spazio cartesiano tridimensionale con un ben definito sistema di riferimento globale permette di avere perfetta corrispondenza spaziale tra le diverse informazioni L operatore sfruttando le immagini cos generate potr pianificare un indagine diagnostica oppure un intervento chirurgico biopsia infiltrazioni ecc Il sistema di acquisizione delle immagini restituisce all operatore mediante specifici algoritmi di image processing una visione tridimensionale del volume anatomico del piccolo animale in fase di analisi Lo scanner ottico 3D composto da un sistema di generazione di luce strutturata lama laser da un sistema di visione telecamera e dalle interfacce elettroniche idonee al trasferimento dei dati acquisiti I dispositivi indicati sono montati sull architettura meccatronica in corrispondenza degli elementi strutturali dotati di sufficienti gradi di libert per effettuare la scansione Operativamente il laser di bassa potenza proietta sul corpo dell animale un fascio luminoso lama focalizzato in corrispondenza del lettino del piccolo animale Una telecamera dotata adeguato obiettivo e filtro interferometrici acqu
60. ettazione Disegni costruttivi della sonda scintigrafica Modelli solidi 3D dettagliati della gamma camera Schemi dell elettronica per l alimentazione e l interfaccia dati Manuale utente della sonda scintigrafica a amp amp amp Attivit 2 2 Realizzazione del prototipo delle sonde scintigrafiche La sonda scintigrafica ad alta risoluzione stata sviluppata e realizzata dalla Li Tech S r l Hardware e software sono stati ottimizzati per l integrazione nella struttura meccatronica e nella piattaforma HW SW del sistema SATIS L attivit di ricerca ha riguardato l elaborazione delle informazioni provenienti dalla sonda e la definizione degli algoritmi di ricostruzione in configurazione 2D scansione planare e 3D ricostruzione tomografica Per quanto riguarda l hardware l alta risoluzione e sensibilit garantita dal dispositivo rendono SATIS una macchina con prestazioni uniche Ci rende il sistema meccatronica SATIS particolarmente adatto per impieghi di ricerca nel settore di diagnostica in vivo farmacologia farmaco cinetica ecc La sonda scintigrafica stata integrata nel prototipo attraverso le interfacce meccaniche elettriche ed elettroniche A valle di questa fase si proceduto alla calibrazione della sonda ed all integrazione del software sviluppato dalla Li Tech nel SW di SATIS 49 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale
61. ezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Nel dettaglio sono state condotte due sessioni di prove mirate in particolare a Verificare il funzionamento complessivo di tutte le unit di SATIS sistema meccatronico sistema di controllo sonda scintigrafica sistema di puntamento lettino sensorizzato e con controllo temperatura scanner 3D ecc Verificare la coerenza e la corrispondenza spaziale di informazioni morfologiche provenienti dallo scanner 3D e quelle funzionali rilevate dalla gamma camera Verificare la qualit delle acquisizioni risoluzione e contrasto Testare le diverse unit funzionali ed il software di interfaccia e controllo Il sistema meccatronico di diagnostica per immagini SATIS composto dalle seguenti unit funzionali Sistema meccatronico Primo strumento diagnostico Sonda scintigrafica Sistemadi visione stereoscopica 3D Sistema di puntamento laser Sistema di controllo Il dispositivo meccatronico SATIS realizzato incorpora tutti 1 gruppi indicati Sistema meccatronico Da progetto il sistema meccatronico un braccio meccanico passivo movimentato da un operatore Il sistema meccatronico SATIS realizzato durante il progetto un sistema completamente motorizzato attivo comandato da un opportuno SW e sistema di controllo in grado di raggiungere accuratezza di posizionamento
62. fetto Compton durante l impiego della sonda scintigrafica Sistema di puntamento Dopo aver effettuato le scansioni con i dispositivi di rilevamento sonda scintigrafica scanner 3D in modalit 2D e 3D ed aver analizzato le immagini acquisite separatamente oppure fondendo immagini diverse l operatore pu individuare regioni volumetriche del corpo dell animale organi di particolare interesse diagnostico su cui intervenire infiltrazione o biopsia con un organo chirurgico L operatore attivando la funziona di puntamento ottico sar in grado di indicare a video la regione in questione ed inviare il comando di puntamento a SATIS La macchina acquisito il comando movimenter gli assi secondo ben definite strategie programmate dal controllo e si posizioner per indicare direttamente sulla superficie del piccolo animale il punto individuato dall operatore medico Il puntamento della regione di interesse individuata dall operatore avviene sfruttando tutti i gradi di libert disponibili su SATIS 4 e attraverso un laser di puntamento single dot Vedi figura 14 PO z r j j t s N j b i a Pi PE Ra l n ETET k ia n x k si L iki r P P 7 LI Figura 22 Immagini della fase di puntamento con laser single dot e intervento da parte di un operatore sul punto individuato La precisione di puntamento di pochi decimi di mm Laser lasiris ShockYale 48Vdc 1mW 635nm classe II Spot diametro 0 1
63. fidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali intercambiabilit del lettino su un supporto universale garantisce la flessibilit richiesta per l impiego della macchina SATIS per animali di diversa taglia topi ratti conigli ed altro Figura 35 Immagini del lettino con un ratto giovane durante le prove di validazione pre clinica eseguite presso lo stabulario di Roma Tor Vergata 43 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 36 Supporto e sistema di ancoraggio modulare per lettini di diversa misura topi ratti giovani ratti adulti conigli Un vantaggio molto importante inoltre consiste nell assenza di movimentazione del piccolo animale durante le acquisizioni La movimentazione conferita ai soli dispositivi di acquisizione Figura 37 Immagine del le
64. forza per comandare i1 motori Attraverso le relazioni di inversione della cinematica dallo spazio cartesiano allo spazio dei giunti si in grado di ricostruire i riferimenti da dare agli attuatori motori per comandare specifiche traiettorie L inversione della cinematica un passo fondamentale per lo sviluppo del sistema di controllo del robot e per la scrittura degli algoritmi Individuata l architettura meccatronica ad arco mobile quale architettura idonea al progetto stato possibile far iniziare l attivit A 3 1 che ha portato allo sviluppo di tutti gli algoritmi e moduli di controllo sopra citati ed all architettura da dare al sistema di controllo Interfacce segnali unit di controllo logico ecc Un altra funzionalit che stata implementata nel sistema di controllo la visualizzazione dell immagine tomografica acquisita Il sistema di controllo stato sviluppato da personale Sintesi e da personale dell istituto ITIA CNR socio del consorzio Esso stato implementato su PC mediante SW Il controllo macchina gestisce tutte le unit funzionali esegue tutti i controlli di sicurezza pianifica le strategie di acquisizione con sonda scintigrafica e con profilometro pianifica le traiettorie ecc Il sistema di controllo una componente molto complessa ed il suo sviluppo ha richiesto la maggior parte dell impegno di risorse di personale Lo sviluppo di questa attivit di ricerca RI iniziato nel
65. i gura 59 Immagine multi modale scintigrafica e anatomica con scintigrafia del cranio 75 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Q io 22 ma 1342 DI Mie view Options Amayas Nel si l Hudu x Displey Props Helg kiire w Windoi ceWel Av feno in ATO gt For Trees sto nen oca x 163 H 1070 i n daidit sais ibo O td Esplorazione file F Gammafamera ici hko SATIS 1r D 30 Mese DI SATIS Lir RD Views Edis Figura 60 Immagine tomografica SPECT Applicazioni Risorse Deskiop aoci e gio 32 max 1343 DI Mile view pions Amayas iep meet Mothala Dirapley Props Helg h rg w Windosniewcl ao Pira fin PATO or Le r Tresa ato frane ai 2 EC Aintasi daicdaficaiziho DO tel Esplorazione file F Gammafamennic hko SATIS 1r O 30 Viewer D SATIS Liri Ro Views MAA Figura 61 Immagine tomografica SPECT 76 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu
66. i speciali ovvero non a catalogo ottenuti attraverso procedimenti di lavorazioni meccaniche tradizionali alle macchine utensili tornio Centri di lavoro CNC rettifica elettroerosione EDM e WEDM ecc Stampaggio ad iniezione di particolari in materiale plastico di largo consumo Tecnologia di produzione adatta tipicamente per la produzione di grandi quantitativi di componentistica speciale di largo impiego nella produzione di serie di macchine Pre serie di particolari in materiale plastico resina epossidica PS ecc ottenuti per stampaggio in stampi al silicone a partire da prototipi ottenuti per RP Tecnologia adatta per un numero limitato di prototipi Prototipazione rapida per piccolissime quantit di componentistica speciale per il singolo prototipo Ricerca dei possibili fornitori e classificazione degli stessi in base a criteri quali qualit dei prodotti costi tempi di fornitura affidabilit ecc Oltre ai fornitori di materiale normalizzato si proceduto alla ricerca di attrezzerie meccaniche di precisione in grado di realizzare 1 particolari speciali del prototipo ovvero sviluppati nella precedente attivit A 1 1 e non disponibili a catalogo In quest ultimo caso un criterio importante considerato stato la localizzazione geografica delle aziende Tale criterio semplifica notevolmente l interfacciamento necessario in fase di realizzazione A valle di queste attivit considerate prelimina
67. iagnostica per immagini Analizziamo nel dettaglio le varie funzionalit attualmente presenti sul prototipo SATIS Figura 38 Immagine del supporto del lettino intercambiabile e modulare per piccoli animali 45 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Sistema di raccolta dei fluidi biologici I fluidi biologici del piccolo animale urina sangue vengono raccolti dal lettino e mediante un canale di scolo studiato ad hoc vengono convogliati in una provetta Eppendorf schermata mediante un contenitore cilindrico di piombo integrato nel piano di lavoro Il sistema ben visibile nelle immagini di figura 18 Figura 39 Immagini delle interfacce meccaniche elettriche e fluidiche del sistema di raccolta dei fluidi biologici del piccolo animale In alto e a destra la versione per ratti in basso a sinistra quella per topi Sistema di controllo della temperatura ed interfacciamento elettronico Attraverso opportune resistenze di riscaldamento e sensori di temperatura applicate all interno del vano ricavato nel lettino possibile controll
68. in Vivo studio della farmacocinetica e farmacodinamica in vivo oncologia malattie cardiache malattie neurodegenerative malattie infiammatorie cellule staminali AI fine di poter raggiungere la pi alta valorizzazione applicativa e tecnologica del progetto si deciso di caratterizzare il dispositivo come un tomografo integrato ad alta risoluzione spaziale adatto alla scansione di piccoli animali Questa scelta ha l obiettivo di rendere subito disponibile al prototipo il pi vasto panorama applicativo delle specialit pre cliniche precedentemente descritte con evidenti vantaggi strategici Inoltre una siffatta caratterizzazione del dispositivo permette una pi rapida introduzione del prodotto sul mercato della ricerca che richiede vincoli di certificazioni meno stringenti e quindi pi brevi permettendo cos di ridurre il time to market a beneficio di una aumentata probabilit di successo del progetto La tecnologia scintigrafica compatta e ad alta risoluzione spaziale della Li Tech e la tecnologia meccatronica e di image processing di Sintesi hanno permesso attraverso il presente progetto lo 79 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione
69. inguaggio semplice Associare l azione alla forma e ai colori delle icone Utilizzare regole tipografiche che guidino l utente Limitare l uso dei colori Minimizzare il carico dimemoria dell utente Uso diun dialogo semplice e naturale Fornire possibilit di personalizzazione Fornire scorciatoie ornire Gestire gli meccanismi di g errori help Essere consistenti Evitare l uso di termini che non appartengono al mondo medico ostruire layout su una griglia Ridurre la densit di informazioni sullo schermo Fornire segnali di navigazione Figura 27 Schemi di interfacce grafiche generiche e specifiche in ambito medico Dopo un primo sviluppo focalizzato alla definizione delle funzionalit del SW stata condotta un analisi preliminare dell interfaccia ha messo in evidenza diversi problemi relativi all interfaccia utente realizzata con il software 3D Slicer e sono state dunque proposte soluzioni e correzioni per ottenere una interfaccia pi usabile e pi adatta al contesto medico Come accennato in precedenza le scelte di realizzazione possono variare in funzione dei bisogni degli utenti e dei possibili compiti Sono state proposte nuove soluzioni di seguito riportate realizzate compatibilmente con la tecnologia resa disponibile Tali soluzioni sono accompagnate da una descrizione ergonomica che avvalora le scelte fini qui effettuate 37 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenu
70. ione architettura HW e SW L attivit prevede una prima fase di analisi dei modelli architetturali pi coerenti con il sottosistema hardware e software da realizzare finalizzata alla definizione e progettazione del software L idea quella di adottare una struttura fortemente modulare Definizione del sistema operativo e del framework di sviluppo L attivit prevede due fasi di lavoro parallele la prima fase si esplica nella ricerca e valutazione dei principali framework di elaborazione di immagini medicali esistenti allo stato dell arte la seconda fase si esplica nell analisi delle caratteristiche dei diversi sistemi operativi esistenti per valutare la migliore soluzione in termini di funzionalit e tempi di sviluppo L attivit determiner la scelta del framework e del sistema operativo Pianificazione sviluppo SW L attivit prevede l individuazione e la definizione delle principali attivit di sviluppo del sottosistema software Analisi del Framework e sviluppo dell interfaccia di visualizzazione L attivit prevede una fase preliminare di studio approfondito del linguaggio di programmazione Tcl Tk e del codice sorgente del Framework adottato Tale fase di studio favorisce una successiva analisi delle funzionalit del framework con particolare attenzione alla segmentazione volumetrica al fine di progettare e sviluppare l interfaccia di visualizzazione ed elaborazione delle immagini del sottosistema software
71. ioni meccaniche del settore biomedicale e da laboratorio si usano acciaio inossidabile e alluminio Per questioni di leggerezza di lavorabilit e di buona resistenza ove possibile si preferito impiegare l alluminio in quasi tutti i componenti Le verifiche di resistenza condotte tramite calcoli analitici e simulazioni con ausilio del computer CAE tramite software FEM infine hanno confortato la nostra scelta Il trattamento di anodizzazione rende i componenti in alluminio particolarmente resistenti all ossidazione ed agli agenti esterni Inoltre esso conferisce ai particolari un aspetto sicuramente pi gradevole opaco e satinato 31 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Alcuni componenti infine sono stati realizzati in materiale plastico In particolare il lettino anatomico del piccolo animale stato realizzato mediante tecnologia di prototipazione rapida additiva mediante l impiego di una speciale resina epossidica fotosensibile Nel lettino stato evitato l impiego di materiali metallici al fine di ridurre pi possibile l ef
72. isisce la nuvola di punti del corpo scansionato L attivazione della telecamera controllato da un trigger generato da una adeguata scheda elettronica PCI Il sistema di controllo dell intero sistema meccatronico SATIS in modalit scansione ottica sincronizza il movimento degli assi con il triggering inviato alla telecamera In altri termini le 62 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali posizioni rilevate dagli encoder dei motori permettono la generazione dei segnali di attivazione della telecamera In questo modo possibile effettuare la scansione con una serie di vantaggi e minimizzando i tempi di acquisizione realizzando e realizzando un movimento continuo senza accelerazioni e decelerazioni con inevitabili sollecitazioni dinamiche sulla struttura e migliorando l accuratezza dell acquisizione A ANCE in l Om o san OR els Figura 48 Visualizzazione 3D dell immagine tomografica Pagina iniziale del software in modalit 3D dopo l acquisizione 63 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il conten
73. lizzata su una proiezione planare del profilo volumetrico del piccolo animale In questo modo l utente in grado di posizionare la griglia nella regione di interesse e selezionare le aree della griglia necessarie a coprire la regione di interesse considerando che ciascuna area equivale al field of view della sonda scintigrafica Pertanto il numero delle aree selezionate corrisponde al numero di fasi di acquisizione della sonda scintigrafica L interfaccia presenta tre tasti esplicativi che permettono se attivati lo spostamento della griglia la selezione delle aree di interesse e la cancellazione delle aree in caso di errata selezione La stessa modalit di interazione con griglia stata implementata in modalit diagnosi 3D per la selezione della fascia di cui effettuare la tomografia mantenendo cos anche consistenza nell uso delle funzionalit 70 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Sia nel caso d uso di diagnosi planare che nel caso di diagnosi 3D sono stata implementate due schede di lavoro La prima permette all u
74. lla macchina La E Magine IT S r l di Genova ha sviluppato hardware e software del sistema di scansione e ricostruzione della geometria Si tratta di un sistema integrato di scansione 3D di oggetti mediante triangolazione laser L Hardware costituito dai seguenti componenti Telecamera digitale Jai pulnix TM1402CL b w ad alta risoluzione 1392x1040 con sensore CCD progressivo protocollo camera link con cavo di collegamento camera link Obiettivo passo C alta definizione Frame grabber digitale camera link Active Silicon D48CL PCI32 Filtro ad interferenza Banda passante 635 5 nm Supporto meccanico di montaggio componenti Pattern di calibrazione metrica Laser Lasiris SNF 501L 635 5 45 pot 5 mW ad alta uniformit con lente cilindrica generatrice di linea fan angle 45 Il software implementato in grado di realizzare le seguenti funzioni Scansione ottica nelle versioni planare 2D e tridimensionale Digitalizzazione generazione e memorizzazione della nuvola di punti Ricostruzione della geometria attraverso la costruzione delle mesh a partire dalla nuvola di punti Elaborazione delle superfici geometriche acquisite fusione e decimazione di mesh Visualizzazione di geometrie 3D al fine di presentare all operatore la visione tridimensionale del volume anatomico oggetto di indagine diagnostica Conversione in formato VTK Visual Toolkit Libreria software Linux Driver e soft
75. lora le dimensioni dell animale siano tali che le proiezioni non rientrino nel campo di vista della sonda il modulo predisporr pi acquisizioni affiancate per ciascuna proiezione Puntamento radioguidato Tale modulo consente di individuare un punto dell animale indicato sull interfaccia grafica direttamente sull animale disposto sul lettino della macchina mediante la proiezione di uno spot 57 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali generato da un laser sorgente puntiforme che si trova solidale con l ultimo giunto della catena cinematica e presenta pertanto tutti e quattro i gradi di libert della macchina Calcolo traiettorie E il modulo che stabilisce il percorso secondo il quale si muove la sonda all interno dello spazio operativo Ha come vincolo prioritario quello di spostare la sonda da un punto di partenza ad uno di arrivo senza fare avvenire collisioni fra la macchina e gli oggetti presenti nello spazio di lavoro Per fare ci si basa sulle informazioni contenute nel volume di intereferenza file data vi Cal
76. macchina Il software lavora su pi thread contemporaneamente in modo da utilizzare a pieno l architettura multiprocessore della workstation in dotazione su SATIS Quanto appena descritto perfettamente coerente con gli obiettivi prefissi da progetto L OR3 ha avuto come risultato lo sviluppo del cuore dell automazione del sistema meccatronico attraverso la concezione lo sviluppo e l implementazione di elettronica hardware e codice software in grado di gestire tutte le funzionalit richieste ed in particolare Gestire elaborare e controllare le movimentazioni della macchina e dei dispositivi di acquisizione Collegare coordinare ed elaborare i dati provenienti o destinati ai dispositivi di rilevamento gamma camera scanner 3D ed agli attuatori puntatore laser ecc Gestire la sicurezza e le emergenze della macchina attraverso il controllo collisioni e una logica cablata di intervento e blocco Elaborazione dei segnali provenienti dai sensori Ricostruzione delle posizioni dinamiche dell end effector Elaborare le immagini digitali ottenute con lo scanner 3D o profilometro al fine di rendere selettive le informazioni acquisite Controllare ed azionare gli organi attuatori laser puntamento Controllare la temperatura del lettino anatomico sensorizzato Ecc 2 4 ORA Sistema di acquisizione e ricostruzione delle immagini Attivit 4 1 Studi e Progettazione del sistema di acquisizione
77. manenti moduli Carrello testa e ripari e coperture I componenti meccanici sono stati sviluppati ad hoc per il prototipo solo per i gruppi per i quali era necessario Testa e catene cinematiche Per tutto il resto si fatto ricorso a componentistica a catalogo normalizzati e componenti gi disponibili in commercio Sia lo sviluppo e progettazione che la realizzazione stata assistita da software CAD CAM ad alte prestazioni Con riferimento specifico alla realizzazione del prototipo tale strumento ha permesso al gruppo di progetto di generare tutta la documentazione necessaria per l assemblaggio e la lavorazione dei componenti della macchina Distinta base schemi di assemblaggio disegni costruttivi schede di lavorazione ecc li i i Figura 2 Rendering ad alta definizione del modello virtuale della macchina SATIS ottenuto mediante software di progettazione e simulazione CAD CAM CAE PTC Pro Engineer Wildfire 3 0 Si tenga conto che la maggior parte dei componenti meccanici speciali per SATIS sviluppati dal personale di progetto sono stati realizzati in outsourcing presso attrezzerie meccaniche di precisione presenti nel territorio delle province di Bari e Brindisi e nel resto d Italia Dal punto di vista degli strumenti necessari per lo svolgimento delle attivit descritte come detto si avuto a disposizione il Laboratorio sviluppo prototipi dotato di tutte le attrezzature necessarie per lo scopo
78. n 02 viti TCEI M8 e consente lo scorrimento del 2 Sottogruppo Riferimento Tavola 001 2 Sottogruppo comprende la Guida Disco il binario la cremagliera la Guida Hepco R12 e tutti 1 componenti necessari E fissato al 1 Sottogruppo tramite binario guida e viene mosso dalla rotazione del pignone Riferimento Tavola 002 3 sottogruppo comprende il supporto Rotante dell Asse A i cuscinetti per l aggancio alla guida Hepco il motore il cuscinetto il pignone e infine la y Camera Esso fissato al 2 Sottogruppo tramite i 4 cuscinetti della Hepco e viene mosso dal motore che ruota solidalmente con il sottogruppo stesso Riferimento Tavola 003 26 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Assieme Profilometro Figura 16 Sottogruppi funzionali della testa di rilevazione Figura 17 Immagine della testa di rilevazione dotata di 2 gradi di libert con sonda scintigrafica e scanner 3D integrati Dl ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e
79. non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Q TA DESCRIZIONE GRUPPO ASM iastra Supporto Asse Z Tavola_005 iti TCEI M8x20 iniguide a sfere Bosch Rexroth 0443 213 01 iti TSCEI M3x8 upporti in plexiglass Dimensioni x x ensore di finecorsa Marca e Modello orcella ottica di azzeramento Asse Asse Z ignone Asse Z Diametro primitivo d 42 modulo m 1 5 Tavola_008 Foglio 1 di 2 NM Piastra Supporto Asse Z D J Q necorsa Meccanico Vite M3x20 completo di dado M3 altezza 2 mm iduttore Epicicloidale 1 10 Smart Motor EP 55 C iti TSCEI M5x16 otore Animatics Smart Motor SM2315D reno magnetico accoppiato al motore SM2315D iti TOEI M4x14 ondelle per vite M4 altezza 1 mm lt quadra L in alluminio altezza 10x10 larghezza 40 mm ti di fissaggio per la squadra di posizione 16 M3x12 quadra ITEM 8 40 in acciaio Codice 0 0 196 87 te di fissaggio a testa tonda M8x8 con testa limata assello ITEM in acciaio M8 Codice 0 0 026 18 Vite testa tonda M8x10 rofilato ITEM Serie 8 40x40 leggero lunghezza 140 mm Codice 0 0 023 33 rofilato canalina ad U 30x15 E Codice 7 0 002 97 lunghezza 135 mm rofilato coperchio D30 E Codice
80. nto di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 10 Immagini Rendering del modello CAD del sistema meccatronico SATIS Dopo queste prime considerazioni preliminari presentiamo in dettaglio le scelte fatte e la realizzazione del prototipo nella sua struttura meccatronica hardware Struttura macchina La struttura della macchina stato oggetto di un approfondito studio che ha tenuto conto di molti aspetti sia estetici che funzionali ritenuti rilevanti per il successo di un dispositivo di diagnostica in vivo Ergonomia ingombro robustezza praticit d uso trasportabilit aspetti estetici design manutenibilit ecc Attraverso interviste a personale specializzato e potenziali utenti finali e analizzando un ampia ricerca svolta nel settore delle macchine per diagnostica in vivo emersa la necessit di avere una struttura facilmente trasportabile all interno dei laboratori di ricerca Molto spesso infatti le macchine vengono condivise tra diversi laboratori di una stessa azienda o ente ed ritenuto molto utile avere a disposizione un dispositivo mobile Inoltre una struttura fissa pu risultare troppo vincolante per un labora
81. o anche di aspetti tecnologici di manufacturing dei particolari ogni singolo componente viene scelto modellato assemblato e fissato nell assieme in modo definitivo vengono avviate tutte le analisi e le verifiche di resistenza dei componenti soggetti a carichi e sollecitazioni meccaniche 25 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali vengono infine realizzate le tavole di tutti 1 componenti e di tutti gli assemblati in modo particolare dei componenti da far produrre in outsourcing e IH Tiii EEE zld TUA SATIS TAVOLA 004 Vista Superiore ven mato COIT DATA maraa 007 ___ et SESTO HOTE e tit i Figura 15 Disegno con indicazione degli ingombri del gruppo Testa di rilevazione Il Gruppo pu essere visto come un assieme di tre sottogruppi composti a loro volta da una serie di componenti qui di seguito specificati 1 Sottogruppo comprende la piastra Supporto Assi Z e A il gruppo motore riduttore i due pattini guida la telecamera e il suo supporto Il sottogruppo fissato alla guida circolare tramite
82. ografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali L obiettivo realizzativo ORI ha portato alla realizzazione di un sistema robotizzato ad architettura innovativa per la movimentazione fisica dei dispositivi di acquisizione gamma camera e scanner 3D dei dati diagnostici morfologico funzionali e degli attuatori puntatore laser ed il loro interfacciamento L obiettivo stato raggiunto attraverso lo studio lo sviluppo e la realizzazione di un prototipo caratterizzato da 4 gradi di libert in grado di soddisfare tutte le esigenze tecniche di movimentazione e posizionamento richiesti dai dispositivi di diagnostica per immagini e di attuazione puntamento integrati sulla macchina Il prototipo SATIS attraverso l innovativa architettura ad arco mobile permette di realizzare acquisizioni ad alta risoluzione sfruttando tutte le potenzialit delle sonde di rilevamento scintigrafiche Gamma camera e ottiche Scanner 3D a luce strutturata denominato anche profilometro I vantaggi di una tale configurazione meccatronica sono molteplici l Rispetto ad una soluzione a supporto lettino mobile il sistema meccatronico ad arco mobile a parit di corsa e volume di lavoro generalmente pi compatto L ingombro della macchina nella configurazione ad arco mobile minore della analoga versione a lettino mobile 2 Innanzitutto l operatore ha a disposizione un ampia area di lavoro che gli permette di posizionare agevolmente il
83. oluzione ottenuta asse Z 0 2 mm Asse X 0 2 mm Asse Y Scansione variabile La risoluzione ottenuta con riflettanza ottimale della superficie e in assenza di occlusioni La risoluzione lungo l asse di scansione dipende dalla tipologia di movimentazione e dalla risoluzione dell encoder di posizione Velocit di scansione la velocit di scansione dipende dalla frequenza di acquisizione della telecamera 30 fps e dalla risoluzione richiesta lungo l asse di scansione Ad esempio con una risoluzione di 0 2 mm lungo l asse di scansione si ottiene una velocit di scansione massima di 6mm s A questa risoluzione il tempo richiesto per effettuare la scansione di una superficie di 40 cm circa 1 min 67 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 51 Immagine dello scanner 3D composto da supporto meccanico da fissare sulla struttura della macchina telecamera ad alta definizione e laser Figura 52 Immagine della macchina SATIS durante una scansione 3D Nella foto ben visibile la lama laser e telecamera 68 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 12013
84. oni ottenute sono superiori alle aspettative Il sistema di visione implementato costituito da uno scanner 3D detto anche profilometro di tipo ottico basato sull impiego di un dispositivo di generazione di luce strutturata lama laser di un sistema di visione vero e proprio telecamera con adeguato obiettivo da un filtro interferometrico da una scheda di triggering digitale della telecamera da una scheda di acquisizione L unit funzionale completa di software completamente integrato del software di gestione e controllo di SATIS La risoluzione massima di acquisizione di 0 2 mm con tempi che si aggirano intorno ad un minuto Sistema di puntamento laser Il sistema di puntamento laser realizzato su SATIS costituito da un sistema laser a bassa potenza 1 mW 635nm classe II che genera uno spot single dot del diametro di 0 2 mm max Dopo aver analizzato a video le immagini diagnostiche acquisite da SATIS l operatore in grado di selezionare a video una regione di interesse che il sistema SATIS potr individuare ed indicare visualizzando sulla superficie del corpo dell animale un punto di luce L operatore a questo punto potr decidere di intervenire con un organo chirurgico ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi
85. otore Asse A Carrello Macchina SATIS Flangetta Asse A Distinta Base Gruppo di Assi A amp Z e i j il j i a et H I i Ca IN A TA STR DUDO poemi am COTRA di Viti TCEI M amp x1 acara 1 2 Pia ii su mn amamnaa ni Figura 18 Schema di assemblaggio Sottogruppo 01 Testa di rilevazione 29 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Prmieira Quemtit Descrizione peg RT 35 1 CukstaDisso Fiacotetta Tavota KIA 36 1 Binaria miniguida con lamierino 37 amp VW TCE Maii O O 38 1 Gukia Ciolaa HEPCORIS 39 B VW TCE M12 40 2 Vis TCEI M amp x14 con dado M 41 2 ViteTCEI M48 compiet incassata 42 1 Cramaglisra Tavola co 43 8 VW TCEI M510 O 44 1 Lambrino Azzararnanio Amsa Z 45 1 LamierinoAzzammemo mes A 46 1 Spessoraconperzienze Aco BINTE BCpA PROGETTO SA T 18 TAVOLA 002 Wa ih Mapei Ahi azr SOOG ruppo 02 memm ON an re 6 O gra ue m
86. ototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali 2 5 Utilizzabilit dei risultati Tutti i pi autorevoli studi di mercato del settore fra 1 quali Frost amp Sullivan Kalorama Medical Technology Business sono concordi nell individuare una sostenuta crescita del mercato della diagnostica in vivo e delle tecnologie diagnostiche correlate alla medicina nucleare Lo sviluppo di nuovi radio farmaci basati su peptidi peptidi corti anticorpi monoclonali ed altri marker molecolari ha permesso di aumentare radicalmente la sensibilit e la specificit di molti radio traccianti Parallelamente le tecniche diagnostiche di medicina nucleare ed in particolare le tecniche di imaging funzionale SPECT e PET nonch le tecniche di imaging multi modale stanno guadagnando ulteriori consensi dal mondo scientifico Questo quadro generale si riflette nella evidente crescita della domanda diagnostica in medicina nucleare che si registra nei paesi europei e nell apertura di nuovi mercati quali quello dell est europeo e dell estremo oriente Il mercato della medicina nucleare applicato alla ricerca appare ancora di pi ampio interesse strategico La comunit scientifica infatti concorde nel riconoscere nella tomografia SPECT uno strumento fondamentale nell ambito del molecular imaging per applicazioni pre cliniche di vastissimo interesse quali drug discovery espressione genica
87. per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Le caratteristiche principali della testa di rivelazione sono Peso ca 2 5 Kg Cristallo Csl T1 matrice 33x33 elementi di dimensioni 1 2x1 2x5 mm Collimatore matrice a fori quadrati di tungsteno di lunghezza di 12 mm Spessore dei setti del collimatore 200 um Rivestimento e schermatura tungsteno spessore 4 mm Campo di vista FOV 39 6x39 6 mm Risoluzione spaziale intrinseca 1 2 mm FWHM Risoluzione energetica 20 141 keV Tc Massima energia di utilizzo 250 keV Rateo massimo 10 kEventi sec Sensitivit 220 cps MBq 64 00 Gg UU Figura 44 Ingombro della testa di rivelazione Software della sonda scintigrafica Il sistema scintigrafico provvisto di un pacchetto software per la gestione su PC con sistema operativo Linux Il software distribuito sotto forma di librerie condivise shared library sviluppate in C che forniscono le funzioni di interfaccia con l hardware e consentono l integrazione in un software proprietario Le funzioni di acquisizione e gestione dell intero sistema sono fornite dalla libreria libgcam A tali funzioni si deve riferire lo sviluppatore Altre librerie disponibili sono la libsagc per la gestione del sistema di acquisizione dati e le librerie libftdi e libusb sviluppate da terzi La libreria libgcam sfrutta un
88. piccolo animale su un idoneo supporto 3 Il supporto non dovendo essere movimentato pu essere molto rigido e robusto cosicch l operatore possa tranquillamente agire applicando le forze necessarie 4 Il lettino in posizione statica garantisce maggiore precisione di posizionamento dei dispositivi di rilevamento rispetto al piccolo animale Nessuna sollecitazione viene trasmessa all animale durante le movimentazioni 5 Essendo il lettino anatomico non dotato di gradi di libert stato possibile realizzare un supporto universale e lettini di diversa dimensione intercambiabile modularit e riconfigurabilit Questo accorgimento rende la macchina SATIS molto flessibile Non richieste competenze specifiche ed un operazione che pu essere eseguita dall operatore medico e non da personale tecnico Di contro la struttura ad arco mobile presenta lo svantaggio di richiedere precisione e accuratezza meccanica pi alte Inoltre dovendo movimentare masse certamente pi grandi il grado di libert dell arco dovr essere opportunamente dimensionato In ogni caso la catena cinematica dell asse lineare dell arco pi ingombrante e costosa rispetto a quella necessaria per movimentare 1l lettino di supporto In fig 10 sono rappresentate le due viste prospettiche estratte dal software di modellazione solida 3D della macchina SATIS 19 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo docume
89. r di puntamento La progettazione di questo gruppo multi funzione si articolata in due fasi 1 FASE Progettazione preliminare e di massima Definizione della Cinematica e delle corse richieste la combinazione di una traslazione e di una rotazione consente ai dispositivi di rilevazione ovvero la y Camera e profilometro di raggiungere le posizioni e gli orientamenti richiesti Per quanto riguarda la gamma camera un obiettivo molto importante quello di avvicinarsi pi possibile all oggetto da esaminare per migliorare la qualit dell acquisizione Definizione degli Ingombri sono stati definiti gli ingombri di tutto il gruppo e delle parti in movimento Integrazione nella macchina stata studiata la modalit di integrazione del Gruppo nella macchina considerando Interfacce meccaniche L obiettivo stato definire il fissaggio dell intero gruppo alla guida Hepco R25 dell Asse Circolare C Interfacce elettriche ed elettroniche Cablaggi alimentazione e dati connettori ecc Analisi di interferenza e collisioni del gruppo o di alcune sue parti con il resto della macchina Analisi del volume di lavoro ottenibile nelle varie configurazioni 2 FASE Progettazione di dettaglio La progettazione di dettaglio la fase finale del progetto in cui tutti i particolari vengono definitivamente inseriti nel progetto Durante questa fase del progetto la modellazione solida pi accurata e tiene cont
90. ri si proceduto agli acquisti di materiale e componenti e successivamente realizzazione del prototipo Nella struttura possibile riconoscere i seguenti macro componenti o sotto assemblati 11 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Carrello e vano apparati elettrici ed elettronici Elettronica di comando PC Hardware Alimentazioni Circuiti elettrici di protezione Console ecc Struttura meccanica di base e catene cinematiche assi X lineare e C Circolare Gruppo di rilevazione ed attuazione o Testa del dispositivo meccatronico dotata di Gamma Camera Scanner 3D e laser di puntamento Ripari e coperture Lettino sensorizzato e con sistema di controllo temperatura e raccolta fluidi Tali moduli sono stati sviluppati e realizzati in parallelo Nella prima fase della realizzazione del prototipo si sono assemblate la struttura di base e le catene cinematiche degli assi principali X e C Successivamente si completato il montaggio del prototipo procedendo al completamento della struttura di base ed all assemblaggio dei ri
91. si della distinta base dei componenti e degli schemi di assemblaggio del prototipo nell ottica dell ottimizzazione in termini di tempi di sviluppo e realizzazione riduzione dei costi quantit assemblaggio manutenibilit rispetto dei vincoli normativi definizione delle procedure di collaudo ecc Analisi dei disegni costruttivi con l obiettivo di razionalizzare la fase di realizzazione del prototipo processi produttivi Ingegnerizzazione dei componenti del prototipo Questa sottoattivit consistita nell analisi dei componenti strutturali dell architettura meccatronica concepita nell attivit precedente A 1 1 nell ottica della realizzazione del singolo prototipo e della produzione di serie di macchine per il mercato In particolare stata condotta un analisi dei processi produttivi adeguati al sistema meccatronico A titolo esemplificativo citiamo i seguenti Estrusi in alluminio anodizzato per gli elementi strutturali adatti sia per la realizzazione del singolo prototipo sia per la produzione di serie di macchine Pannelli in materiale plastico lavabili ed antistatici per piani di lavoro e rivestimenti macchina Particolari normalizzati ovvero a catalogo acquistabili da fornitori nazionali ed internazionali Generalmente si tratta di componentistica facilmente reperibile sul mercato e fornita da diverse aziende del settore dell automazione industriale e della meccanica strumentale Particolar
92. sono demandate all elettronica montata a bordo dei motori Tali motori modello Smartmotors SMD2315 della Animatics hanno la peculiarit di avere gli azionamenti integrati e di essere programmabili Offrendo inoltre una serie di input e output configurabili si comportano come dei plc garantendo un funzionamento real time Sono stati pertanto utilizzati per eseguire funzioni di controllo piuttosto semplici che necessitano per di girare su target real time E questo il caso del controllo in temperatura del lettino e di tutti i controlli di sicurezza della macchina La comunicazione fra motori e workstation avviene mediante porta seriale Quasi tutto il software di controllo stato scritto in linguaggio c fa eccezione 1l software che viene eseguito dai motori che stato scritto con un simil assembler specifico della Animatics 58 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali linguaggio proprietario Nel dettaglio sono state sviluppate due classi c Una classe che si occupa della gestione dei motori e l altra che implementa le funzionalit della
93. stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Sistema di controllo Il sistema di controllo realizza tutte le caratteristiche e gli obiettivi previsti da progetto Inoltre esso gestisce anche il controllo della temperatura del lettino anatomico per piccoli animali non previsto da progetto Inoltre sono stati implementati nella macchina ulteriori funzionalit Lettino anatomico intercambiabile sensorizzato e con controllo di temperatura integrato Sistema di raccolta reflui del piccolo animale ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali 2 PROTOTIPO PER _L ESECUZIONE AUTOMATICA DI TOMOGRAFIE SPECT E LOCALIZZAZIONE RADIOGUIDATA SU PICCOLI ANIMALI In questo paragrafo l obiettivo illustrare nel dettaglio gli aspetti pi importanti e qualificanti dello studio svolto e della macchina innovativa SATIS 2 1 ORI Architettura meccatronica Con riferimento all ORI l architettura meccatronic
94. tata l azienda che ha risposto meglio alle nostre esigenze soprattutto dal punto di vista tecnologico L Hardware stato ritenuto pi idoneo in termini di prestazioni affidabilit ed ambiente d uso laboratori Per quanto riguarda il software il personale E magine IT si reso disponibile a sviluppare codice sorgente su nostre precise specifiche di compatibilit con la piattaforma utilizzata in Sintesi e a implementare ulteriori funzionalit rispetto ai concorrenti Algoritmi di merging e decimazione export in VTK ecc Le referenze il background e le competenze dimostrate dalla E magine IT hanno fatto preferire questa azienda agli altri potenziali fornitori pi legati al mondo industriale Inoltre 1 tempi di sviluppo e consegna sono stati giudicati adeguati in relazione alla pianificazione delle attivit dell intero progetto GANTT La consegna dell hardware del sistema ottico avvenuta alla fine di Luglio 2006 Successivamente lo scanner stato integrato nella macchina sia nelle sue componenti hardware che software Pi precisamente lo sviluppo dello scanner 3D avvenuto tra aprile e agosto 2006 mentre l integrazione e la messa a punto del software avvenuta nel secondo semestre del 2006 quando 61 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservate
95. tente di impostare 1 criteri di acquisizione in termini di isotopo iniettato e modalit di acquisizione La seconda scheda di lavoro permette il monitoraggio dei parametri di acquisizione in termini di tempo di acquisizione eventi ricevuti rateo e spettro energetico Sviluppo dei moduli relativi alla sonda scintigrafica Per garantire il funzionamento della sonda scintigrafica sono stati progettati e implementati i moduli che gestiscono il posizionamento della sonda scintigrafica in aree dello spazio selezionate l acquisizione dei dati scintigrafici e la memorizzazione dei parametri e degli istogrammi risultanti in formato adeguato alla visualizzazione all interno dell interfaccia grafica Nel dettaglio l implementazione di tali moduli ha previsto le seguenti fasi di sviluppo cs integrazione all interno del framework delle librerie software di acquisizione dati tramite sonda scintigrafica sviluppate dalla Li Tech S r l e sviluppo del modulo software che gestisce 1il monitoraggio dei parametri di acquisizione la memorizzazione degli istogrammi acquisiti e la ricostruzione volumetrica cs integrazione all interno del framework delle librerie software di posizionamento della sonda scintigrafica e sviluppo del modulo software che gestisce la corrispondenza dello spazio di visualizzazione con il sistema di riferimento meccanico cs sviluppo del modulo di coordinamento denominato MAIN dei task che permettono all utente di comandare
96. to di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Pulsanti di navigazione 2D Analysis 30 Analysis Models Volumes Results Modelli e Volumi amivi CURRINT SCEMI Scannng Help Ve ES Slices e relativi controlli Figura 28 Immagine e descrizione della schermata tipica di SATIS Help Figura 29 Dettaglio dei comandi di SATIS 38 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali feel e o N L I Ren TANEH Figura 30 Dettaglio di costruzione delle icone Figura 31 Logo SATIS su interfaccia grafica HMI 39 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza s
97. torio che svolge diverse ricerche e che richiede layout facilmente riconfigurabili Una struttura mobile stata ritenuta pi flessibile in quanto rende meno vincolante il lay out del laboratorio Gradi di libert Come gi visto in precedenza la macchina S A T I S ha in totale 4 gradi di libert 20 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali I primi due gradi di libert sono quello di traslazione lineare Asse X corsa 400 mm e spostamento angolare Asse C corsa angolare 93 intorno ad un asse longitudinale della macchina Questi due assi permettono di movimentare i dispositivi di rilevamento gruppo di acquisizione nel volume di lavoro Gli ultimi 2 gradi di libert permettono di avvicinare ed orientare la sonda scintigrafica al piccolo animale e di movimentare correttamente il profilometro Essi nell ordine sono una traslazione lineare Asse Z corsa 150 mm sull asse circolare C per poter spostare radialmente la y Camera con una corsa asimmetrica rispetto alla posizione dello zero ovvero 95 mm verso il basso e 55 mm
98. tta la sua struttura e architettura meccatronica come previsto dall ORI Il prototipo del sistema meccatronico completo di sistema di controllo integrato con SW e HW di elaborazione delle immagini ha permesso di effettuare le prove di pianificazione delle traiettorie Scansioni di acquisizione delle immagini con sonda scintigrafica e sistema di ricostruzione 3D a luce strutturata e di elaborazione di immagini funzionali e morfologiche con idonei algoritmi di Image processing Il prototipo completo e funzionante in tutte le sue unit funzionali stato sottoposto a collaudo calibrazione e successivamente alla validazione sperimentale pre clinica Le attivit di validazione pre clinica e di collaudo hanno permesso di perfezionare e migliorare le prestazioni del prototipo del sistema meccatronico di diagnostica per immagini denominato SATIS Per quanto riguarda il collaudo e la calibrazione del prototipo l attivit ha interessato sia l architettura meccatronica che le unit di rilevamento diagnostico Gamma Camera Li Tech e Scanner 3D La validazione pre clinica stata svolta presso lo stabulario del Policlinico di Roma Tor Vergata ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Conc
99. ttino per ratti intercambiabile durante una scansione Il lettino di per se un apparato abbastanza complesso in quanto dotato di alcuni apparati funzionali indipendenti Sistema di raccolta dei fluidi biologici 44 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Sistema di controllo della temperatura ed interfacciamento elettronico Inoltre esso predisposto per ulteriori accessori che possibile implementare in futuro Una informazione molto utile per l operatore medico il monitoraggio di alcuni parametri biometrici Il lettino predisposto per accogliere una sensorizzazione biometrica del piccolo animale al fine di controllare su terminale video frequenza cardiaca e temperatura corporea Inoltre la macchina predisposta per il montaggio di un sistema di anestesia ad aerosol del piccolo animale Si tratta di accessori gi previsti in fase di concezione e sviluppo di tutta l architettura Tali accessori rendono la macchina SATIS flessibile completa e molto funzionale SATIS assolutamente inedita sul panorama del mercato delle macchine di d
100. ttorno all asse longitudinale del piccolo animale Asse Z rettilineo di movimentazione radiale dei dispositivi di acquisizione sull arco Asse A di rotazione dell end effector sonde di acquisizione intorno ad un asse longitudinale con versore solidale con il carrello dell asse Z radiale R RRR La fase di progettazione vera e propria del sistema meccatronico stata condotta attraverso l ausilio di adeguati strumenti di sviluppo come la modellazione solida CAD la simulazione strutturale statica FEM per la verifica di resistenza dei componenti la simulazione dinamica multi body della soluzione costruttiva per la ottimizzazione del comportamento dinamico del prototipo ecc Inoltre molte fasi di manufacturing Realizzazione prototipo Attivit 1 2 sono state svolte mediante l uso di software CAM per la simulazione dei percorsi utensili e delle lavorazioni dei componenti speciali Attraverso adeguate indagini svolte mediante specifici SW di simulazione Analisi FEM Analisi Multibody Analisi dinamica modale Analisi integrata con modello meccatronico stato possibile simulare il comportamento statico e dinamico per l esecuzione delle traiettorie operative pianificate e necessarie per le acquisizioni da diversi dispositivi Pi nel dettaglio specifiche analisi modali e di risposta in frequenza hanno permesso di valutare le sollecitazioni inerziali indotte dalle accelerazioni degli assi della macchina ed in particolar
101. ure elettriche ed elettroniche 16 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Assemblaggio carrello e base macchina Figura 8 Immagini della fase di assemblaggio e verifica di carrello e base macchina 17 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Figura 9 Assemblaggio testa di rilevazione 18 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITITA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tom
102. uto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali SATIS L amp r04 lio View Pap Modules a Dio o san ci ieis Figura 49 Immagine tomografica 3D con le viste di dettaglio del software SATIS SATIS LETA x BEM PAH TOOM righi bation FAN wrol wha Pari AUSIT biser pela ADVANCED i HECAT Dig A Oan Dsan Figura 50 Immagine di dettaglio 3D del software SATIS 64 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali Dettagli del sistema ottico di scansione di digitalizzazione ricostruzione e visualizzazione di geometrie 3D Come detto in precedenza in questo stesso paragrafo L OR4 ha portato allo sviluppo di un modulo di scansione ottica e ricostruzione della geometria del piccolo animale che stato integrato ne
103. ware di acquisizione Linux Descrizione del sistema Il sistema di scansione 3D realizzato basato su tecniche di elaborazione dell immagine e triangolazione Il sistema fisicamente composto da una testa di scansione dotata di telecamera e laser generatore di linea che viene spostata in linea retta lungo l asse di scansione a distanza costante dal piano di scansione La linea generata dal modulo laser interagendo con l oggetto in esame viene distorta Il sistema in grado elaborando immagini successive di tale linea di calcolare automaticamente le coordinate 3D della superficie dell oggetto in esame e ricostruirla mediante triangolazione Due o pi viste singole possono essere utilizzate per costruire una singola superficie triangolata ad alta risoluzione 65 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali E possibile mediante la funzione di decimazione eseguire una semplificazione della superficie risultante specificando anche il massimo errore tollerato nella ricostruzione della superficie decimata rispetto a quella originale Questa funzione permette
104. za di lavoro di 300mm Questo componente indicato per la qualit della linea laser non gaussiana generata Filtro a interferenza filtro passa banda non igroscopico permette il passaggio della sola luce laser larghezza di banda 40 8 nm con un intensit di trasmissione di picco di circa 80 Supporto meccanico supporto meccanico del sistema di scansione laser telecamera Il supporto realizzato mediante componenti modulari in alluminio anodizzato e permette la regolazione della distanza laser telecamera e l orientazione angolare della telecamera stessa Pattern di calibrazione metrica il pattern di calibrazione necessario nel caso in cui sia variata la geometria del sistema di scansione variazione della focale iris della telecamera variazione della distanza telecamera laser orientazione angolare della telecamera ecc e in generale ogniqualvolta si desideri ripristinare correttamente la calibrazione del sistema ad esempio dopo una operazione di manutenzione Il pattern di calibrazione associato a una funzione semi automatica di calibrazione del software di controllo del sistema ed il suo uso molto semplice Dettagli componenti software Software per Scansione 3D La libreria software permette il controllo del sistema di scansione e la ricostruzione 3D di oggetti 66 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato
105. zato in diversi campi clinici sia per la localizzazione di tumori o patologie che prevedono una differenziazione di radiofarmaco nei tessuti Inoltre il sistema per le sue caratteristiche si presta all utilizzo in sala operatoria rientrando nelle Classi di sicurezza e grado di protezione da rischio elettrico come richiesto dalla Normativa CEI vigente La sonda scintigrafica stata studiata progettata e realizzata dalla Li Tech S r l La sonda strutturalmente composta dai seguenti componenti cs Collimatore o Materiale tungsteno 48 ITIA CNR Viale Lombardia 20 A 120131 Milano Italia Il contenuto di questo documento di natura confidenziale e non pu essere divulgato Ogni misura deve essere presa al fine di garantirne la riservatezza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali o Lunghezza 24 mm o Spessore setti 200 um recante fori paralleli a sezione quadrata cs Matrice di scintillazione o Tipo di scintillatore CsI T o Dimensione della matrice 20 x 20 elementi quadrati o Dimensioni del singolo elemento 2 2 x 2 2 mm o Spessore dell elemento 5 0 mm o Passo tra gli elementi 2 2 mm o Schermatura o Materiale Tungsteno o Spessore 2 4 mm Si dispone di tutta la documentazione prodotta durante lo studio e della prog
106. zionare la sonda scintigrafica nello spazio al fine di effettuare delle acquisizioni planari Una volta selezionate dall interfaccia grafica le zone di cui si vuole fare l acquisizione il modulo in questione si occupa calcolare la traiettoria di posizionamento minimizzando il percorso della sonda e di posizionarla ad una distanza prestabilita dall animale Un valore basso di tale distanza Es 1 mm consente di sfruttare a pieno la risoluzione della sonda scintigrafica gamma camera che utilizzando un collimatore a fori quadri paralleli ha una risoluzione che decresce con la distanza dalla sorgente Scintigrafia tomografica Il modulo per la tomografia stato anch esso progettato in modo tale da massimizzare la risoluzione della sonda La tomografia viene effettuata utilizzando un raggio distanza dall animale variabile che consente di seguire il contorno dell animale mantenendo da esso la distanza di clarence impostata Il modulo capace di eseguire una tomografia in modo del tutto automatico Gli unici dati di cui necessita sono una coordinata spaziale lungo l asse X della macchina relativa alla porzione di animale di cui si vuol effettuare la tomografia e il numero di proiezioni In base a tali dati e alle informazioni contenute nei files data vi e data vr il modulo in grado di calcolare la posizione ottimale dell asse di ricostruzione e le posizioni da assegnare alla sonda per effettuare le proiezioni Qua
107. zza secondo gli accordi stabiliti fra ITIA CNR e il destinatario Concezione sviluppo e progettazione di un prototipo per l esecuzione automatica di tomografie SPECT e localizzazione radioguidata su piccoli animali era operativamente disponibile l architettura meccatronica in grado di movimentare 1 dispositivi dello scanner Per quanto riguarda il software gli sviluppatori dello Scanner 3D hanno collaborato con il personale Sintesi per l integrazione dell unit nella macchina per la messa a punto e per l ottimizzazione delle funzioni SW di comando e image processing Il risultato dell attivit in oggetto un dispositivo completo composto da cs Sistema HW composto da telecamera digitale su protocollo Camera Link risoluzione SXGA Obiettivo lente focale fissa 12 mm laser con lente generatrice di linea Frame grabber su Scheda PCI 32 bit filtro ad interferenza Pattern di calibrazione metrica cablaggi vari supporto meccanico cs Sistema SW composto da drivers e software di acquisizione per sistema operativo Linux moduli funzionali da integrare cs Algoritmo di merging di acquisizione cs Algoritmo di decimazione delle acquisizioni cs Algoritmo di meshing cs Export in formato VTK Visualization Tool Kit Il sistema di acquisizione e ricostruzione delle immagini insieme alla sonda scintigrafica sono le unit fondamentali di diagnosi del sistema meccatronico Le informazioni morfo funzionali della gamma cam

Concezione, sviluppo e progettazione di un prototipo per l

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