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Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

Tesi etd-05202020-160950


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
SCIARRINO, GIULIA
URN
etd-05202020-160950
Titolo
Riallineamento dei frammenti ossei tramite vincoli meccanici e Realtà Aumentata
Dipartimento
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Corso di studi
INGEGNERIA BIOMEDICA
Relatori
relatore Prof. Ferrari, Vincenzo
correlatore Ing. Cutolo, Fabrizio
Parole chiave
  • Riduzione frattura ossea
  • Realtà Aumentata
Data inizio appello
12/06/2020
Consultabilità
Tesi non consultabile
Riassunto
In alcune procedure chirurgiche è richiesto un riposizionamento preciso tra strutture anatomiche; tra queste, le operazioni di riduzione di fratture ossee, in cui un mal allineamento dei frammenti può inficiare nella guarigione e ripristino della funzionalità dell’arto. Una possibile soluzione sarebbe essere quella di guidare la procedura con un sistema di Realtà Aumentata, mostrando come debba essere posizionato un frammento rispetto al resto dell’anatomia. Tuttavia, muovere un corpo rigido gestendone manualmente i sei gradi di libertà fino ad ottenere la posa desiderata, sotto la guida di un sistema in Realtà Aumentata, può essere difficoltoso, soprattutto poiché questa metodica non è in grado di fornire un’accurata percezione della profondità. Oggetto della tesi è valutare se con l’aggiunta di vincoli meccanici, facilmente regolabili, che limitano i gradi di libertà, il riposizionamento di corpi rigidi nello spazio, sotto la guida di un sistema di Realtà Aumentata, possa essere più accurato, veloce, semplice e intuitivo. Per trarre tali valutazioni, è stata costruita una struttura composta da due piastre, realizzate con pannelli in Forex, collegate da aste con lunghezza regolabile e giunti sferici all’estremità. Una piastra è vincolata su un basamento, l’altra ha un numero di gradi di liberà variabile a seconda del numero di aste che la collegano alla prima. Lo scopo è spostare la piastra mobile sotto la guida di un sistema di Realtà Aumentata implementato su un tablet con applicazione Android. Per l’esecuzione della procedura sono stati scelti sulla piastra cinque punti fiduciali. Attraverso il tracking ottico effettuato con la camera del tablet, tali punti sono visualizzati sullo schermo sottoforma di marker virtuali. All’utente è stato chiesto di allineare i suddetti marker con un altro gruppo di marker virtuali, indicativi della posa pianificata da raggiungere. L’errore commesso nel riposizionamento è espresso in termini di angolo di rotazione e vettore di traslazione tra la posa pianificata e la posa raggiunta. Il task è stato eseguito sia nel caso in cui la piastra dispone di tutti e sei i gradi di libertà, che nel caso in cui i gradi di libertà sono ridotti a causa dell’aggiunta di aste, fino a un massimo di tre. È stato inoltre misurato il tempo impiegato per l’esecuzione, in modo da valutare se, e quanto, l’aggiunta di vincoli renda più intuitiva la procedura. Questa procedura è stata ripetuta in due casi che differiscono per la modalità con cui è stata ricavata la posa pianificata ed è stato effettuato il tracciamento delle piastre. Nel primo caso la posa relativa pianificata è ottenuta attraverso il modello CAD dell’intera struttura composta da entrambe le piastre; la posa ottimale della piastra mobile è mostrata a partire dal tracciamento della piastra fissa e in funzione di detta posa relativa. Nel secondo caso la posa pianificata è ottenuta tracciando direttamente la piastra mobile in una certa posizione nello spazio. Il primo scenario simula l’uso di una camera/tablet esterna in grado di inquadrare entrambe le piastre mentre il secondo scenario simula un caso ottimale con una camera solidale e perfettamente calibrata con la struttura.
Nel primo caso l’oggetto tracciato è più distante dalla camera; l’aumento della distanza implica una minore accuratezza nel calcolo dei parametri estrinseci e di conseguenza una minore accuratezza e precisione nella registrazione della scena reale e virtuale. L’errore di registrazione è stato stimato confrontando la posa registrata con la posa reale della piastra mobile, posta in una posizione nota rispetto alla piastra fissa. Tale errore, legato alla metodica di tracciamento utilizzata, basata sull’impiego della sola camera del tablet, comporterà intrinsecamente errori globali di riposizionamento più significativi nel primo scenario rispetto al secondo.
I risultati confermano che il principale ostacolo nell’esecuzione del task è dovuto alla mancanza di percezione di profondità fornita dal sistema AR. Scegliendo un sistema di riferimento con asse z ortogonale al piano della piastra, la difficoltà sta nel capire come traslare la piastra lungo l’asse z e come ruotarla lungo gli assi x e y. Tali spostamenti sono vincolati, per lo più, collegando opportunamente le due piastre con tre aste. I risultati mostrano che tutti gli utenti sono riusciti a portare a termine la procedura con tre aste di collegamento, ma non tutti sono riusciti ad eseguire la prova con zero, una e/o due aste. Eccetto un caso, il minor tempo di esecuzione si osserva nella prova con tre aste, così come l’errore minimo. Con la posa pianificata su CAD (primo scenario), l’errore di traslazione è pari a 3.22±0.87 (mm) e l’errore di rotazione è pari a 1.13±0.33 (°). Nella seconda posa di pianificazione (secondo scenario) l’errore di traslazione è pari 0.65±0.48 (mm) e l’errore di rotazione è pari a 0.45±0.32 (°). Come preannunciato si ha una differenza sostanziale nei risultati ottenuti nei due scenari, legata principalmente all’errore di tracking che aumenta all’aumentare della distanza dell’oggetto da tracciare. Vi è poi l’errore umano commesso nel regolare le aste alla lunghezza voluta e le tolleranze geometriche che fanno sì che la struttura realizzata non sia esattamente uguale al modello CAD. In entrambi i casi gli errori commessi sono clinicamente accettabili nella riduzione delle fratture di ossa lunghe. Secondo gli standard medici, una deformità angolare dopo la riduzione inferiore a 5 ° o una deformità nella traslazione inferiore a 10 mm indica una riduzione accettabile. Questa tesi pone pertanto le basi per la futura implementazione e sperimentazione di quanto proposto in questo lavoro.

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