ETD

• algoritmo
• fusione spinale
• realtà aumentata
• registrazione

Gli interventi di chirurgia spinale e posizionamento di viti peduncolari richiedono grande precisione e accuratezza e sono state sviluppate tecniche per migliorarli notevolmente come ad esempio: utilizzo della fluoroscopia (2D), guide personalizzate (ottenute progettate su immagini 3D CT), sistemi di navigazione ( a partire da immagini 3D CT) eventualmente integrati con sistemi robotici e/o visualizzazione in realtà aumentata.
L’obiettivo finale dello studio è quello di utilizzare una tecnica di registrazione in ambito di realtà aumentata avendo la sovrapposizione di informazioni digitali sul planning operatorio e del modello virtuale al campo chirurgico reale, permettendo quindi al chirurgo di visualizzare la pianificazione realizzata direttamente davanti agli occhi in sala operatoria tramite visore e ottenendo dunque maggiore precisione, migliore orientamento anatomico, minore invasività e riduzione degli errori.
Il planning pre-operatorio, può essere in generale eseguito quindi prima dell’intervento, include lo studio di immagini derivanti da TAC, RMN, radiografie, una valutazione anatomica e patologica, simulazioni digitali e un’accurata scelta della tecnica chirurgica con l’obiettivo di ridurre al minimo errori ed imprevisti, diminuire i tempi operatori e aumentare precisione ed accuratezza.
Di contro, invece, il planning intra-operatorio consiste nella pianificazione dinamica fatta durante l’intervento, in tempo reale. Questo si basa su immagini intra-operatorie (fluoroscopia, TAC intra-operatoria), feedback di robot o sistemi di navigazione e dati ottenuti direttamente sul campo chirurgico e permette così di adattarsi all’anatomia del paziente, correggere eventuali variazioni sul piano e ottimizzare maggiormente i risultati sebbene aumenti le tempistiche dell’intervento.
In un lavoro precedente è stata sviluppata una procedura di registrazione Surface Based con puntatore, con l’acquisizione intra-operatoria che viene effettuata dal chirurgo manualmente andando a toccare col puntatore le superfici da allineare.
Poiché i risultati non sono stati sempre soddisfacenti, in questo nuovo lavoro di tesi è stata valutata l’integrazione dell’imaging intra-operatorio 3D.
In particolare, questa tesi si propone di sviluppare una tecnica di registrazione Intraoperatoria e una tecnica di registrazione Pre-Intra operatoria 3D/3D con un approccio basato su un algoritmo che prevede PCA (Principal Component Analysis) più ICP (Iterative Closest Point), con l’obiettivo di garantire il miglior allineamento possibile tra un modello anatomico, ottenuto tramite imaging preoperatorio e su cui viene pianificato l’intervento da parte del chirurgo, e un modello anatomico ottenuto tramite segmentazione, effettuata sul software 3Dslicer, a partire da immagini derivanti da una CBCT (Cone Beam Computed Tomography). La CBCT usa un fascio di raggi X conico e un sensore digitale che ruota attorno al paziente e permette di acquisire in brevissimo tempo molte immagini da diverse angolazioni con una dose di radiazioni generalmente più bassa, rispetto alla TAC tradizionale, e un’alta risoluzione ossea.
Lo studio è stato svolto su un modello di tre vertebre stampate in 3D con una clamp posizionata sulla vertebra centrale e costituita da marker infrarossi e marker nel visibile, per poi riportarlo su singola vertebra.
L’algoritmo alla base è realizzato su Matlab e prevede una fase di allineamento iniziale tramite PCA, che orienta le due superfici in modo simile e rende il matching successivo più stabile e veloce, e un successivo ICP, che va a sovrapporre due superfici tramite una rototraslazione, per andare a ridurre il più possibile sia l’errore globale che quello specifico su determinati punti target, con valori inferiori a 1mm nei punti di accesso critico per l’inserimento delle viti.
Nello studio si è andati a valutare l’accuratezza di registrazione su dei punti estrinseci (noti) sulle vertebre considerando due possibili scenari con planning preoperatorio su CT (il che richiede una ulteriore matrice di registrazione) e con planning intraoperatorio direttamente sulle immagini CBCT.
Nel primo caso l’errore definito come RMS medio per ogni singola vertebra è stato 0.3246mm per la vertebra numero 1, 0.4804mm per la vertebra numero 2, 0.5126mm per la vertebra numero 3.
Per entrambi i casi lo studio conferma la possibilità di realizzare un protocollo di registrazione accurato, versatile e flessibile, a fronte di dover integrare lo scanner intraoperatorio 3D.