da Vinci Research Kit (dVRK)

Elettronica, firmware e software aperti per controllare i robot chirurgici da Vinci dismessi

Licenza

• software (sawIntuitiveResearchKit, dvrk-ros, cisst): JHU CISST Software License 1.0
• robot models (jhu-dvrk/dvrk_model): MIT

Licenza suddivisa. Il software (sawIntuitiveResearchKit, dvrk-ros e le librerie cisst) è soggetto alla JHU CISST Software License 1.0, non alla MIT: può essere usato, copiato, adattato, mostrato e distribuito, anche a fini commerciali, a condizione che i termini completi accompagnino ogni copia con la premessa della JHU, che i riconoscimenti siano mantenuti e le modifiche segnalate, e che il nome della JHU non sia usato per promuovere prodotti. I modelli dei robot in jhu-dvrk/dvrk_model sono MIT. La JHU afferma che il proprio software è stato progettato solo per la ricerca e ne sconsiglia l'uso clinico. Verificato il 3 nov 2026.

Panoramica

Il da Vinci Research Kit (dVRK) è un sistema meccatronico open source della Johns Hopkins University: l'elettronica, il firmware e il software che controllano sistemi di ricerca costruiti a partire da robot chirurgici da Vinci dismessi, prodotti da Intuitive Surgical. Secondo il progetto upstream è usato in più di 40 istituzioni in tutto il mondo.

Il da Vinci Research Kit (dVRK) è una piattaforma meccatronica open source sviluppata alla Johns Hopkins University che offre il pieno controllo software dei da Vinci Surgical System dismessi di Intuitive Surgical. Basato sul framework middleware cisst/SAW, lo stack software include il controllo dei motori in tempo reale, regolatori PID per i bracci robotici lato paziente (Patient Side Manipulator, PSM) e per i bracci master di teleoperazione (Master Tele Manipulator, MTM), moduli di teleoperazione e un controller per la telecamera endoscopica. Il sistema comunica tramite IEEE-1394 FireWire o Ethernet/UDP e supporta sia ROS 1 sia ROS 2 (con ROS 2 Jazzy su Ubuntu 24,04 ora consigliato a partire dalla v2.4.0).

La piattaforma trasforma i robot chirurgici da Vinci di prima generazione dismessi in sistemi di ricerca completamente programmabili. I ricercatori hanno accesso ai bracci porta-strumenti, a un visore stereo e ai comandi manuali e a pedale: tutti i componenti fondamentali di un sistema di chirurgia mininvasiva assistita da robot. L'architettura modulare consente ai team di personalizzare le configurazioni, aggiungere sensori, integrare ambienti di simulazione (AMBF, V-REP) e sviluppare capacità chirurgiche autonome.

L'ecosistema dVRK è cresciuto fino a comprendere librerie client per Python e MATLAB, strumenti di visualizzazione in realtà mista, l'integrazione con l'apprendimento per rinforzo e la più recente variante dVRK-Si, che estende il supporto ai sistemi da Vinci S/Si di seconda e terza generazione. La Intuitive Foundation facilita le donazioni di hardware, mentre la Johns Hopkins mantiene il software open source, creando un ponte unico tra la robotica chirurgica industriale e la ricerca accademica.

Perché è importante

Il dVRK è di fatto la piattaforma standard per la ricerca in robotica chirurgica in tutto il mondo. Con installazioni in oltre 40 istituzioni di più di 10 paesi e oltre 300 articoli di ricerca pubblicati, ha creato un ecosistema di ricerca aperto senza precedenti attorno a una delle piattaforme di robot chirurgici di maggior successo commerciale mai costruite. Rendendo l'hardware da Vinci programmabile e accessibile agli accademici, il dVRK ha democratizzato una ricerca in robotica chirurgica che altrimenti richiederebbe sistemi proprietari da diversi milioni di dollari.

La piattaforma sta guidando progressi nella chirurgia autonoma: gruppi di ricerca hanno raggiunto tassi di successo del 90% nell'esecuzione autonoma di nodi e hanno dimostrato la sutura autonoma, la localizzazione dei tumori e il controllo della telecamera. Questi progressi stanno ponendo le basi per la prossima generazione di sistemi chirurgici assistiti dall'IA. Lo standard Collaborative Robotics Toolkit (CRTK), nato dalla comunità dVRK, sta ora definendo il modo in cui i robot chirurgici comunicano tra piattaforme diverse, stabilendo standard aperti a beneficio dell'intero settore.

Il problema che risolve

La ricerca in robotica chirurgica è stata storicamente frenata dal costo proibitivo e dalla natura chiusa delle piattaforme commerciali di robot chirurgici. Il da Vinci Surgical System, pur dominando le sale operatorie di tutto il mondo, non offre alcun accesso programmatico ai propri sistemi di controllo: i ricercatori non possono modificare gli algoritmi di controllo, aggiungere capacità autonome o integrare sensori personalizzati. Questo crea un enorme divario tra la robotica chirurgica clinica e la ricerca necessaria per far progredire il settore.

Il dVRK risolve il problema riutilizzando l'hardware da Vinci dismesso con elettronica e software open source, dando ai ricercatori il controllo completo su ogni aspetto del sistema. Le università non devono più costruire da zero robot chirurgici personalizzati o lavorare con configurazioni di laboratorio semplificate che non rispecchiano i sistemi chirurgici reali. Possono invece sviluppare e testare innovazioni su hardware clinicamente rilevante con una base di codice condivisa, rendendo possibili ricerca riproducibile, benchmark standardizzati e un rapido trasferimento delle conoscenze nella comunità globale della robotica chirurgica.

Punti chiave

• Installato in oltre 40 istituzioni di più di 10 paesi, è la piattaforma open source di robotica chirurgica più adottata in ambito accademico
• Offre il pieno controllo programmatico di hardware chirurgico da Vinci reale tramite il middleware open source cisst/SAW, con supporto per ROS 1 e ROS 2
• Consente ricerche che spaziano da teleoperazione, chirurgia autonoma e feedback aptico a machine learning, realtà mista e simulazione chirurgica
• Oltre 300 articoli di ricerca pubblicati citano il dVRK, su temi che vanno dalla sutura autonoma all'automazione dei compiti chirurgici guidata dall'IA
• Sostenuto sia dalla Intuitive Foundation (donazioni di hardware) sia dalla Johns Hopkins University (sviluppo software), con una collaborazione attiva della comunità

A chi si rivolge

• Ricercatori di robotica chirurgica in università e ospedali di ricerca
• Ingegneri robotici che lavorano su sistemi di teleoperazione e di interazione uomo-robot
• Ricercatori di IA e machine learning che sviluppano capacità chirurgiche autonome
• Aziende di dispositivi medici che realizzano prototipi di strumenti e interfacce chirurgiche di nuova generazione
• Dottorandi e postdoc in ingegneria biomedica, informatica e ingegneria meccanica

Limiti

• Richiede hardware da Vinci fisico ottenuto tramite le donazioni della Intuitive Foundation, il che limita l'accesso alle istituzioni di ricerca senza scopo di lucro approvate
• Basato su hardware da Vinci Classic di prima generazione dismesso (dVRK-Si si estende a S/Si, ma è più recente e meno diffuso)
• L'uso clinico è esplicitamente vietato: la piattaforma è strettamente destinata alla ricerca e alla prototipazione non cliniche
• Configurazione complessa, che richiede schede controller FPGA personalizzate, interfacce FireWire o Ethernet e un notevole lavoro di calibrazione
• Il middleware cisst/SAW ha una curva di apprendimento ripida rispetto a framework robotici più moderni, anche se l'integrazione con ROS aiuta