EM Tracking Systems and Miniaturized Biosensors for Minimally Invasive Surgery

The goal of this work is to support minimally invasive surgery (MIS) by developing sensors and systems able to assist surgeon during operations, remaining “invisible” to the medical staff. Hence, in this thesis we focused on the development of an electromagnetic tracking system (EMTS), which can be employed for intracorporeal interventions, since it does not require a direct line of sight between the source of the signal and the sensor, as instead is required for optical systems. Indeed, in order to reduce invasiveness, very small magnetic sensors are used to measure the magnetic field of known geometry produced by a field generator (FG); due to the small sensor sizes, the sensitivity is reduced, and when employing current commercial systems, the surgeon needs to place the FG too much near the operating volume (i.e., patient’s table), thus hindering the staff during the operation. Hence, in this thesis is presented a novel EMTS, developed to increase the tracking distance of current systems, and several considerations are provided, which can be applied to the development of other EMTSs. Moreover, a virtual platform is developed, which permits to analyze system performances by adding noise components and simulating error sources, hence the robustness and the accuracy of the system and its weaknesses can be studied. The platform can be particularly useful for system prototyping, by investigating the effects of system parameters (geometrical and electrical ones) before the fabrication of the real EMTS prototype. Additionally, along with the need of continuously tracking the surgical tools inside human body there is the need of information about the real-time status of the patient. Therefore, this thesis will also focus on the development of a miniaturized sensor to obtain accurate measurements of ions, by finding robust fabrication parameters to achieve high sensing performances, with particular focus on K+ sensing: needle-shaped ISEs (Ion-Selective electrodes) can hence be inserted into the surgical instruments, thus providing important real-time information about cellular health, measuring K+ concentration directly from blood inevitably present during surgery.

L'obiettivo di questo lavoro è supportare la chirurgia mini-invasiva (MIS) sviluppando sensori e sistemi in grado di assistere il chirurgo durante le operazioni, rimanendo “invisibili” al personale medico. Pertanto, in questa tesi ci siamo concentrati sullo sviluppo di un sistema di localizzazione elettromagnetico (EMTS), che può essere impiegato per interventi intracorporei, in quanto non richiede una linea di vista diretta tra la sorgente del segnale e il sensore, come invece è richiesto per i sistemi ottici. Infatti, per ridurre l'invasività vengono utilizzati sensori magnetici molto piccoli che misurano il campo magnetico di geometria nota prodotto da un generatore di campo (FG); a causa delle dimensioni ridotte del sensore, la sensibilità è ridotta e, quando si utilizzano gli attuali sistemi commerciali, il chirurgo deve posizionare il generatore troppo vicino al volume operatorio (ad esempio, il tavolo del paziente), ostacolando così l’equipe medica durante l'operazione. Pertanto, in questa tesi è presentato un nuovo EMTS, sviluppato per incrementare la distanza di localizzazione degli attuali sistemi, e sono tratte diverse considerazioni che possono essere applicate allo sviluppo di altri EMTSs. Inoltre, è stata sviluppata una piattaforma virtuale che consente di analizzare le prestazioni del sistema aggiungendo componenti di rumore e simulando sorgenti di errore, in modo da studiare la robustezza e l'accuratezza del sistema e le sue debolezze. La piattaforma può essere particolarmente utile per la prototipazione di sistemi, studiando gli effetti dei parametri di sistema (geometrici ed elettrici) prima della fabbricazione del prototipo di EMTS. Inoltre, insieme alla necessità di localizzare con continuità gli strumenti chirurgici all'interno del corpo umano, vi è la necessità di informazioni in tempo reale sullo stato del paziente sottoposto all’intervento. Pertanto, questa tesi si concentra anche sullo sviluppo di un sensore miniaturizzato che consenta di ottenere misure accurate di ioni, identificando parametri di fabbricazione robusti per ottenere elevate prestazioni di misura di ioni, con particolare attenzione al rilevamento del K+: gli ISE (elettrodi ione-selettivi) a forma di ago possono quindi essere inseriti negli strumenti chirurgici, fornendo così importanti informazioni in tempo reale sulla salute cellulare, misurando la concentrazione di K+ direttamente dal sangue inevitabilmente presente durante l'intervento chirurgico.