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Tecnologie di supporto Terapia e Chirurgia

Chirurgia in realtà aumentata: arrivano gli ologrammi 3D in sala operatoria

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Scritto da Alessia Paradiso

La visualizzazione digitale in 3D di un organo da operare e la simulazione di un intervento chirurgico si stanno diffondendo in molte sale operatorie all’avanguardia. Inoltre l’intelligenza artificiale aiuta a predire le conseguenze di possibili decisioni da parte dello specialista. Gli ologrammi medici sono il nuovo strumento, frutto dell’ingegneria biomedica, a disposizione della medicina ad alta precisione. Per una Sanità sempre più digitale.

Ologrammi in sala operatoria: come funzionano?

Il termine “ologramma” deriva dal greco “holos” (tutto) e “gramma” (scrittura). Un ologramma è l’immagine tridimensionale – o stereoscopica – di un oggetto, ottenuta su una pellicola olografica o direttamente nello spazio, sfruttando le interferenze e la diffrazione di fasci di luce provenienti da un’unica sorgente laser o un’altra sorgente di luce coerente. L’olografia ottica valse il Premio Nobel al suo inventore, Dennis Gabor, nel 1971.

L’immagine può apparire diversa cambiando il punto di vista

In medicina tale concetto può essere applicato all’immagine – intera o parziale – di un essere umano e ampliato ad una quarta dimensione: il tempo. L’ologramma medico è infatti una ricostruzione 3D dell’anatomia d’interesse, che può avvenire in tempo reale ed essere proiettata addirittura a migliaia di km di distanza, o che può seguire, come nel caso di una simulazione chirurgica, ciò che succede nel corso dell’intervento chirurgico in base alle scelte – e agli imprevisti – in campo operatorio.

Realtà aumentata e intelligenza artificiale sono a disposizione dell’ingegneria biomedica per facilitare il controllo del campo operatorio, ricostruire e comprendere l’anatomia specifica dell’organo su cui intervenire. Inoltre l’ologramma medico aiuta a predire e simulare casistiche post-intervento, modellare storie cliniche a scopo didattico, facilitare la diagnosi e le collaborazioni da remoto, interpretare patologie complesse e favorire la medicina di precisione (Figura 1).

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Figura 1. Ologramma medico in sala operatoria. Credits: MedGadget

Ciò che si ottiene in sala operatoria è una realtà mistaunione di realtà virtuale e realtà aumentata. Molti interventi chirurgici complessi implicano e hanno bisogno di una stretta collaborazione multidisciplinare tra varie figure professionali – ad esempio, cardiochirurghi, cardiologi e perfusionisti. In questo contesto gli ologrammi biomedici e la visualizzazione 3D possono facilitare il dialogo e il miglior approccio in sala operatoria.

La ricostruzione olografica

La ricostruzione olografica dell’organo di un paziente avviene tramite la ricombinazione software di pacchetti di immagini mediche più tradizionali – come quelle ottenute tramite ecografia, risonanza magnetica e radiografia – e algoritmi di intelligenza artificiale – di cui parleremo più avanti. Proprio per questo motivo l’olografia medica può essere affiancata a strumenti tradizionali come l’ecografia, puntando a rivoluzionare il modo in cui i medici interagiscono con l’imaging 3D, spostando l’equilibrio del flusso di lavoro in ambito clinico.

L’ologramma medico fornisce dettagli e volumi anatomici nitidi non accessibili tradizionalmente.

Ad esempio, l’ologramma medico del cuore può facilitare l’esplorazione e la mappatura dell’organo per la diagnosi di malformazioni cardiache, complementato dall’ecografia “classica” che continuerebbe ad essere di enorme importanza per lo studio e l’analisi doppler dei vasi sanguigni (e quindi di eventuale insufficienza cardiaca).

HoloLens 2 e l’esperienza italiana

Il 9 febbraio 2021 ha avuto luogo la 24 ore Internazionale di Chirurgia Olografica, organizzata da Microsoft.

Una maratona di 13 interventi e oltre 60 speaker internazionali per mostrare il potenziale della realtà mista in ambito operatorio a supporto della medicina di precisione.

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L’Italia ha orgogliosamente partecipato e condiviso la propria esperienza con il visore olografico HoloLens 2 grazie al Dott. Massimo Chessa, Responsabile dell’Unità di Cardiologia dei Congeniti Adulti presso l’IRCCS Policlinico San Donato di Milano.

L’uso di HoloLens 2 si è rivelato strategico a supporto della valutazione degli approcci terapeutici in situazioni particolari, come tumori cardiaci nei bambini, malformazioni o patologie rare, per valutare la migliore strategia chirurgica o di emodinamica interventistica prima di entrare in sala. Per il futuro mi piacerebbe estenderne l’utilizzo in altri ambiti e una prospettiva interessante a cui stiamo già lavorando è l’impiego della realtà mista a supporto della formazione.

Dott. Massimo Chessa

L’IRCCS Policlinico San Donato ha recentemente avviato una collaborazione con la start-up Artiness per l’utilizzo di HoloLens 2 con uno scopo ben preciso: supportare la pianificazione di procedure complesse sia chirurgiche sia di emodinamica interventistica, nel contesto della cardiochirurgia congenita. L’intelligenza artificiale viene quindi inserita nella diagnostica per immagini e nell’elettrocardiografia, sia in fase decisionale che nella terapia mirata sul paziente specifico. Artiness collabora con Interhaptics nello sviluppo di applicativi medico-chirurgici per HoloLens 2 (Figura 2).

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Figura 2. Ricostruzione anatomica di cuore e costato tramite piattaforma olografica utilizzata a scopo clinico. Credits: Artiness

Come funziona HoloLens 2

HoloLens 2, indossato dallo specialista e dai collaboratori, permette nel caso specifico la visualizzazione dettagliata in 3D dell’organo contrattile – e non solo – dando vita al cosiddetto ologramma medico. Lo studio anatomico di qualsiasi organo viene ampiamente facilitato dall’utilizzo di questa tecnica futuristica. Inoltre non si tratta di osservare un’immagine statica: è possibile muoversi all’interno dell’ologramma e navigare fra le “fette” scansionate dal dispositivo, attraverso immagini di tessuti come pelle, osso e muscoli.

Ampliando l’orizzonte, gli ologrammi medici possono essere condivisi con l’equipe per migliorare la consapevolezza spaziale (pre)operatoria, in caso di aree anatomiche delicate o difficili da raggiungere. La conoscenza anticipata dell’anatomia del paziente, e quindi delle aree su cui intervenire con la strumentazione di sala operatoria, offre un grande vantaggio al chirurgo e quindi più sicurezza decisionale.

Dal punto di vista tecnico, il visore pesa 0.5 kg ed è dotato di suono spaziale integrato e risoluzione 2K, fornendo una densità olografica maggiore di 2.5k radianti. Diverse telecamere, 4 a luce visibile e 2 a infrarossi, costituiscono rispettivamente i sensori per il tracciamento della testa e degli occhi dell’utilizzatore, per fornire una ricostruzione olografica personalizzata, ovvero rispetto alla campo visivo dell’utilizzatore stesso. La mappatura spaziale avviene tramite ricostruzione della mesh ambientale in tempo reale, fornendo all’utente ologrammi di realtà mista. Il software possiede tutte le novità di casa Microsoft (e.g., sistema operativo olografico Windows, Edge, Dynamic 365 Remote Assist e visualizzatore 3D) e la batteria regge fino a 2-3 ore di utilizzo attivo.

Intelligenza artificiale e chirurgia

Dal 2019 anche la start-up israeliana RealView Imaging si rivolge alla cardiologia interventistica per le procedure ultra-specialistiche con HOLOSCOPE™-i.

Questo sistema è progettato per supportare tutte le fasi interventistiche che utilizzano l’imaging 3D, specificatamente per ambienti clinici come postazioni interventistiche, sale operatorie ibride e cliniche diagnostiche. Tale tecnologia fornisce un’olografia 3D in tempo reale. Accessibilità e interattività sono a portata di mano per l’interazione diretta con l’immagine, migliorando la capacità degli operatori di pianificare ed eseguire interventi.

Gli apparati di olografia medica, in sintesi, facilitano la comprensione intuitiva dell’anatomia spaziale complessa e dei processi fisiologici dinamici, fornendo maggiore sicurezza decisionale. L’operatore può interrogare l’intelligenza artificiale del sistema che, elaborando i dati e le informazioni ricevute, risponde su ipotetiche conseguenze decisionali, prevedendo una risposta fisiologica.

Questi sistemi hanno libertà di interazione praticamente illimitata all’interno di ogni singola immagine proveniente dalla ricostruzione 3D dell’organo: zoom, rotazione, affettatura, misurazione e segnalibri. Il tutto in uno spazio su scala reale. Infine, gli algoritmi di apprendimento automatico aiutano sia nella ricostruzione 3D che nello studio anatomico in tempo reale. Allo stesso modo simulare gli effetti di un ipotetico intervento chirurgico.

Simulazioni didattiche

E’ chiaro che una limitata esperienza da parte dell’operatore può, potenzialmente, aumentare la probabilità di complicanze post-operatorie. Una tecnologia olografica inserita nel campo dell’insegnamento può migliorare e accelerare la formazione, fornendo un approccio pratico sin dall’inizio, sia in ambito accademico che professionale. Un feedback di agilità e progresso di apprendimento, con l’analisi dei dati di ogni singolo utente, può rivelarsi fondamentale nel post-simulazione. L’operatore può quindi acquisire autonomia di pianificazione procedurale e diagnosi in tempi relativamente minori rispetto agli iter attuali, che richiedono anni di esperienza sul campo (Figura 3).

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Figura 3. Funzionalità della tecnologia HOLOSCOPE™-i per le fasi interventistiche di cardiologia. Credits: RealView Imaging

Prospettive future

Qual è il confine tra la responsabilità dell’operatore e quella della macchina? E nel caso di un intervento chirurgico andato male, come potrebbe intervenire un’assicurazione sanitaria? Sarà interessante capire come dare valore alla diagnosi elaborata dal sistema ad alta precisione. Allo stesso tempo, un’attenta valutazione del rapporto costi/benefici che la Sanità territoriale può permettersi sarà d vitale importanza per capire se le tecnologie olografiche potranno approdare e affermarsi sul suolo italiano – e non solo – come strumentazione d’avanguardia essenziale.


Fonti e approfondimenti
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Informazioni autore

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Alessia Paradiso

Ricercatrice in fuga.
Conseguita la laurea magistrale in Ingegneria Biomedica al Politecnico di Torino, prosegue con un Dottorato in Biomateriali fuori patria. Appassionata di informazione, mantiene un sguardo completo sul mondo biomedico con tanta curiosità.

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