• valutazione performance chirurgica indicatori

Negli ultimi decenni la chirurgia laparoscopica si è rivelata una valida alternativa alle tecniche in chirurgia tradizionale aperta per il trattamento di varie patologie a livello addominale. Rispetto alla chirurgia tradizionale la laparoscopia risulta meno invasiva per il paziente, che risentirà in maniera inferiore del dolore post-operatorio, potrà inoltre alimentarsi ed essere dimesso dopo solo 24-48 ore dall'intervento. La tecnica laparoscopica ha però introdotto nuove sfide per i chirurghi, che vedono i propri movimenti limitati dall'effetto fulcro sullo strumentario, si trovano a dover operare in assenza di feedback tattile e visualizzano il campo operatorio attraverso le immagini acquisite da una telecamera riprodotte su un monitor. Tali limitazioni impongono ai novizi di sottoporsi a un complesso e lungo periodo di apprendimento. Il tradizionale metodo d’insegnamento, che prevede di osservare e assistere il chirurgo esperto nelle operazioni, è ancor meno efficace nel caso della laparoscopia: da una parte l'apprendista ha bisogno di sperimentare in prima persona le difficoltà della tecnica, dall'altra il chirurgo supervisore non ha il controllo del campo operatorio e non può intervenire con rapidità nel caso in cui insorgano problemi. E’ quindi indispensabile lo sviluppo di nuove metodologie di insegnamento che superino i limiti del metodo tradizionale e permettano di affrontare in sicurezza, senza ripercussioni sul paziente, quantomeno le prime fasi dell’apprendimento. Da questa idea nascono i simulatori chirurgici, tramite i quali è possibile allenare il novizio affinché apprenda la manualità e la coordinazione occhio-mano necessaria alla corretta esecuzione dell’intervento. In questo contesto si colloca il simulatore di colecistectomia che è in fase di sviluppo presso il Centro EndoCAS per la chirurgia assistita dal calcolatore dell’Università di Pisa. Il simulatore è di tipo ibrido. Vi sono repliche fisiche di alcune parti anatomiche dell’addome e al contempo mette a disposizione dell'utente funzionalità con tecniche di realtà aumentata. L’intento di questa funzionalità è offrire un aiuto ai novizi nelle primissime fasi dell’apprendimento per l'identificazione e la dissezione delle strutture individuate dal triangolo di Calot, il passaggio più complesso dell’intervento di colecistectomia. Nell’intorno del triangolo di Calot si trovano vasi e vie biliari da isolare (dal tessuto connettivo nel quale sono immersi) per poter poi procedere al loro isolamento prima di rimuovere la colecisti. Nel simulatore i vasi e le vie biliari possiedono un nucleo tubolare in Nitinol tramite cui si realizza il rilevamento elettrico del contatto accidentale con lo strumento chirurgico. Tali strutture sono dotate di sensori tracciabili tramite un localizzatore elettromagnetico al fine di permettere la loro visualizzazione in realtà aumentata anche quando queste sono nascoste all’interno del tessuto connettivo.
L’obiettivo di questa tesi è dotare il simulatore di un modulo per acquisire dati che permettano la valutazione della performance del chirurgo.
E' noto che, indipendentemente dallo specifico task chirurgico, i parametri più significativi sono:
→ Esito dell’esercizio
→ Il tempo di esecuzione dell'operazione
→ La lunghezza del tragitto percorso dagli strumenti chirurgici
→ La fluidità del movimento, identificata dal jerk, definito come:
→ Il tempo in cui gli strumenti chirurgici rimangono fuori dal campo di vista della telecamera
Ad eccezione dei primi due indicatori (esito dell’esercizio e tempo di esecuzione), per ottenere gli altri parametri è necessario stimare la traiettoria degli strumenti chirurgici.
Il simulatore è dotato di due dispositivi in grado di determinare la traiettorie degli strumenti: il localizzatore elettromagnetico ed il laparoscopio tramite il quale sono acquisite le immagini all’interno dell’addome simulato. Poiché durante l’intervento un’ampia porzione degli strumenti è sempre visibile, si è scelto di eseguire un tracking ottico dalle immagini riprese dall'endoscopio. A questo fine è stato utilizzato come marker una banda colorata realizzata con vernice fluorescente applicata sullo stelo dei 2 strumenti chirurgici. Si è quindi sfruttata la forma cilindrica degli strumenti per risalire a posizione e orientamento dei marker. Dalla conoscenza della posizione relativa della punta dello strumento rispetto al marker è stato possibile tracciarne gli spostamenti. Il metodo è stato ispirato dal lavoro di Lukas at all (“An integrated approach to endoscopic instrument tracking for augmented reality applications in surgical simulation training”) con l'introduzione di una serie di modifiche necessarie per il corretto funzionamento in un ambiente di lavoro realistico, costituito da riproduzioni fedeli degli organi.
Il software è stato implementato in linguaggio C++ e ha fatto uso delle librerie OpenCV per effettuare il processing delle immagini endoscopiche.
Il metodo di tracking così sviluppato, è stato validato tramite confronto con il tracking di un più classico ed ingombrante (per gli scopi di questa tesi) marker strutturato “a griglia”, comunemente utilizzato in applicazioni di realtà aumentata. Successivamente sono state effettuate delle prove, che hanno visto coinvolti due chirurghi nel task di legatura del dotto cistico, per verificare la robustezza dell’algoritmo sviluppato e la qualità delle misure ottenute per la valutazione della performance dell’utente.
Il modulo software sviluppato permetterà di ottenere una valutazione della performance chirurgica in base ai parametri sopra esposti. Questo potrà essere utilizzato ad esempio per determinare se gli specializzandi abbiano ottenuto un grado di competenza adeguato ad operare sui pazienti. Poiché il tracking viene effettuato in real-time, sarà inoltre possibile utilizzare i dati relativi alla posizione degli strumenti per introdurre nuove funzionalità. Ad esempio per mostrare in realtà aumentata un’emorragia nella giusta posizione a seguito della lesione di un vaso sanguigno.