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Tecnologie di supporto

Vostars: Ippocrate indossa il visore. Inaugurata in Italia la chirurgia 4.0

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Scritto da Francesca Zangaro

La realtà aumentata ha fatto il suo ingresso in sala operatoria lo scorso febbraio 2020 durante un’operazione chirurgica, condotta al Policlinico “Sant’Orsola” di Bologna. Si tratta del primo intervento al mondo, infatti, nel quale il chirurgo ha indossato un visore dotato di realtà aumentata, il “Vostars”, frutto di anni di studio, di ricerca e progettazione da parte dell’Università di Pisa in collaborazione con l’Università di Bologna, lo stesso Policlinico e gli ospedali berlinesi Charité e Sankt Gertrauden.

Perché l’ausilio della realtà aumentata?

Si tratta di un’avanzatissima modalità di interazione con la realtà da non confondere con la realtà virtuale, utilizzata, quest’ultima, nei videogiochi per astrarre completamente l’utente, catapultandolo in una realtà “ricostruita”, irreale.

La realtà aumentata, invece, è progettata per mantenere la connessione dell’utente con il mondo reale, dotandolo di un upgrade percettivo tecnologico in grado di ottenere informazioni che vanno al di là di quanto percepito con i propri sensi. Vostars è una sorta di navigatore chirurgico, indossabile e autosufficiente, che rende più agevole il lavoro del chirurgo, consentendogli di muoversi in un contesto operatorio senza l’intralcio di carrelli di troppo e telecamere con focali tradizionali, molto spesso causa di interferenze che generano falsi rilevamenti e tempi di latenza lunghi nella visualizzazione delle immagini.

Come sostiene il prof. Giovanni Badiali, colui che ha condotto l’intervento maxillo-facciale e che ha coordinato gli studi clinici del progetto Vostars, il chirurgo ha da sempre sperato in tecnologie che consentissero di vedere sul corpo del paziente una specie di traccia da seguire durante l’intervento al fine di ridurre rischi ed errori.

La TAC, ad esempio, è una di queste e consiste proprio nella costruzione di una mappa fisiologica del paziente, costruita mediante tomografia assiale computerizzata, con la quale il medico può fare una navigazione chirurgica e adeguare conseguentemente gli strumenti e la manualità. Ma come accade quando si utilizza il navigatore in auto, si spende un certo tempo per volgere lo sguardo dal navigatore alla strada e per mettere in relazione l’informazione virtuale con l’ambiente reale della strada, rischiando di commettere errori e di perdere accuratezza.

Questo può succedere anche se si utilizza un navigatore chirurgico perché l’informazione di navigazione viene mostrata su un monitor esterno che, anche se posto vicino al campo operatorio, costringe il medico a spostare il proprio asse focale, a distogliere quindi l’attenzione dal paziente, rischiando di sbagliare e di rallentare l’intervento. Ed ecco che subentra la realtà aumentata, volta a ridurre la distanza tra il digitale e il reale fondendoli in un unico sguardo: quello che il chirurgo cercava nel disegno viene in realtà mostrato agli occhi del chirurgo stesso attraverso un visore indossabile.

Questo sistema è affidabile ed ha, rispetto al disegno, molti vantaggi tra cui:

  • l’erogazione di informazioni visive tridimensionali strettamente conformi all’anatomia del paziente;
  • attinenza alla realtà. L’immagine virtuale infatti deriva dai dati reali della TAC del paziente, per cui non vengono fornite informazioni inesatte che possono riguardare, ad esempio, la localizzazione e la dimensione di un tumore.

Come è strutturato Vostars?

È importante che le caratteristiche tecniche del visore garantiscano prestazioni efficienti in sala operatoria. Da qui la necessità di avere a che fare con uno strumento compatto, non eccessivamente pesante, funzionale, resistente ed innocuo.

Nella parte anteriore, il visore contiene tra i componenti principali un monitor, diversi sensori e una telecamera che consente di riallineare la mappa del paziente, ricostruita da immagini preoperatorie, con il paziente stesso; nella parte posteriore, invece, è presente una maniglia che bilancia il peso della parte anteriore del visore garantendo l’equilibrio. L’impugnatura ha anche lo scopo di alleggerire il carico sul collo del chirurgo che indossa il visore e di consentire un rapido sollevamento dall’occhio del medico quando quest’ultimo ne sente il bisogno. Fondamentale è il sistema hardware strettamente dedicato alla chirurgia.

Uno degli aspetti innovativi di Vostars è la sua caratteristica ibrida che consente cioè l’utilizzo distinto e/o integrato della percezione umana con quella della realtà aumentata.

L’intervento chirurgico nel dettaglio

Ci sono voluti esattamente tre anni per trasformare un’idea nello strumento concreto ed efficiente oggi conosciuto come Vostars. Prima di portarlo in sala operatoria, il dispositivo è stato testato utilizzando un manichino, esatta riproduzione di un paziente reale, ricostruito con l’ausilio della TAC che ha permesso la stampa in 3D dello scheletro e dei tessuti molli.

Indossando il visore, durante “l’intervento test”, il chirurgo vedeva proiettata davanti ai suoi occhi, in tempo reale, la ricostruzione dello scheletro, dei vasi sanguigni e della ghiandola parotide, proprio grazie alla rappresentazione tridimensionale della realtà aumentata (Fig. 3, 4). L’esito positivo del test ha consentito, quindi, l’applicazione pratica in un’operazione maxillo-facciale che prevedeva il recidere e il riposizionamento della mascella e della mandibola di un adulto al fine di ristabilire la funzionalità del morso. Il visore ha mostrato una linea tratteggiata sul volto del paziente che ha guidato con la massima precisione il chirurgo nel taglio dell’osso, sia in superficie che in profondità esattamente come era stato pianificato nella fase pre-operatoria. La perfetta sovrapposizione tra immagine reale e immagine aumentata ha consentito un allineamento perfetto tra la mano del chirurgo e lo strumento tecnologico, consentendo un intervento millimetrico e privo di errori.

Fig. 3 – Fig. 4

Vostars integra la normale fisiologia di elaborazione ottica umana con le immagini virtuali e reali

Dall’acronimo di VOSTARS (Video/Optical See-Through Augmented Reality System) si evince che la caratteristica rappresentativa del visore è la capacità di passare dalla vista offerta dalla videocamera Video See-Through, a quella naturale Optical See-Through che si ha quando il visore “diventa” trasparente.

Vincenzo Ferrari, ingegnere biomedico e coordinatore del team europeo che ha progettato Vostars, si è soffermato a spiegare attraverso un’intervista i pro e i contro delle due modalità di visione. Vedere il campo operatorio attraverso una videocamera, soprattutto se lo si fa per tante ore al giorno, è difficoltoso per il chirurgo vista la latenza e le imprecisioni inevitabili derivanti dalla videocamera stessa. Anche l’Optical See-Through introduce delle problematiche nell’utente: «Con questo paradigma abbiamo per ogni occhio un display sul quale proiettare un’immagine bidimensionale – afferma Ferrari – e per ogni occhio, oltre all’immagine virtuale che è bidimensionale, abbiamo i raggi di luce provenienti dal mondo reale che hanno quattro dimensioni. Quindi non c’è talvolta l’allineamento perfetto tra, ad esempio, una linea di taglio virtuale e la posizione corretta e reale sulla quale effettuare questo taglio. Il chirurgo non può permettersi un’imprecisione del genere, capace di compromettere l’operazione e di aggravare le condizioni di salute del paziente, neanche se si tratta di un’incongruenza nell’ordine di millimetri. Allora ecco subentrare il paradigma Video See-through che è meno confortevole ma più accurato perché allinea l’immagine virtuale, bidimensionale, derivante dalla TAC del paziente ad un’immagine della camera che è anch’essa virtuale: pixel e pixel si sovrappongono perfettamente».

Quindi, grazie alla fusione dei due paradigmi in un unico strumento, il chirurgo non deve visualizzare le immagini virtuali provenienti dagli scanner radiologici prima dell’operazione ma può farlo durante l’operazione stessa dato che l’occhio non trova difficoltà nel mettere a fuoco contemporaneamente gli elementi virtuali e quelli reali.

Vostars e il futuro

È inevitabile chiedersi se Vostars diventerà uno strumento cardine dei futuri interventi chirurgici. Si ritiene che nel giro di pochi anni il visore sarà disponibile in commercio per essere utilizzato in interventi, non solo maxillo-facciali, ma anche ortopedici, neurochirurgici e relativi all’otorinolaringoiatria.

Quella di Vostars è una bella sfida perché si ha a che fare con distretti anatomici in cui l’aderenza tra immagini pre-operatorie e il progetto offre una minore garanzia. Ma i progettisti sono ottimisti e determinati, consapevoli di poter ampliare i campi di applicazione di Vostars per migliorare le performance dei chirurghi nell’interesse del benessere del paziente.


Fonti e approfondimenti:
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Informazioni autore

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Francesca Zangaro

Studentessa di Ingegneria Biomedica, Università di Pisa.
Appassionata di innovazione e tecnologia con l’obiettivo di studiare e contribuire alla divulgazione di nuovi orizzonti scientifici nel campo dell’ingegneria biomedica.

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