Chirurgia Guidata da Immagini e Realtà Aumenta in Chirurgia Ortopedica: una prospettiva sulla riduzione del Danno Iatrogeno ai Nervi dell'articolazione del Gomito = Image-Guided Surgery and Augmented Reality in Orthopedic Surgery: a perspective on reducing Iatrogenic Nerve Damage in Elbow

Le tecniche di chirurgia guidata da immagini, consolidate da decenni, sono alla base degli interventi così detti mininvasivi. L'integrazione della chirurgia mininvasiva con le nuove frontiere della realtà aumentata offre miglioramenti significativi nella pratica chirurgica, promuovendo: i) sicurezza durante le procedure mediche per pazienti, operatori e personale circostante, ii) ottimizzazione dei tempi di esecuzione, iii) incremento della precisione nell'intervento. La chirurgia mininvasiva ha un rischio intrinseco di danneggiamento di nervi e strutture vascolari, detto "danno iatrogeno", che causa circa il 20% delle lesioni traumatiche dei nervi. Lo scopo di questo studio è quello di simulare un sistema di chirurgia guidata da immagini integrato con la realtà aumentata, al fine di valutare la possibilità di riduzione del rischio di danno iatrogeno durante l’inserzione di viti e k-wires in chirurgia ortopedica. Sarà inoltre dimostrato come tale sistema possa ridurre l’esposizione ai raggi X e migliorare i tempi di intervento. Il sistema, presentato nel seguente lavoro, si compone di due sottosistemi: i) tracking, e ii) simulazione dei raggi X e guida in AR. Il primo modulo, sviluppato in Python, permette il riconoscimento di marker passivi secondo il framework di un sistema di tracking ottico in infrarosso (NIOTS) a partire dal dato grezzo acquisito da telecamera IR a tempo di volo. Nel sistema di simulazione dei raggi X e guida in AR, sviluppato sul software Unity, a partire dalle coordinate 3D, fornite dal sistema di tracking, viene ricostruita la posa nello spazio virtuale dei tool dotati di marker su un phantom fisico custom che riproduce l'anatomia compresa fra il terzo distale del braccio ed il terzo prossimale dell'avanbraccio a partire dall'olecrano del gomito. Il sistema di tracking simula un C-Arm operatorio per raggi X (visualizzato su un monitor tradizionale) e fornisce una guida in AR (con HoloLens) per l’inserzione di k-wires in un manichino anatomico di gomito in posizioni target. La prestazione globale del sistema è valutata in termini di accuratezza delle misurazioni. Dal confronto di un set di 45 misurazioni acquisite con un calibro vernier sul phantom fisico con le corrispondenti misure rilevate automaticamente dal sistema sul modello virtuale, si ottiene una differenza media di -0.52745mm ± 1.9112. La valutazione della riduzione del rischio di danno iatrogeno per nervi e strutture vascolari è stata eseguita mediante la raccolta dati durante l’utilizzo del sistema presso il Palazzo degli Istituti Anatomici dell'Università di Torino, ed il C.T.O. di Torino. Nel dataset sono stati raccolti dati quali-quantitativi sulla prestazione di 20 tester con diverso livello di esperienza nel settore, sulla base di un protocollo composto di più fasi. In particolare, nella prima fase viene fornita come guida all’inserzione il solo simulatore di raggi X; mentre nelle fasi successive viene fornita una guida supplementare olografica real-time sovrapposta allo scenario di simulazione. Questo con l’obiettivo di osservare un effetto learning sull’utilizzo del sistema e sulla capacità di esecuzione della procedura. In conclusione, la progettazione del sistema e il testing hanno dimostrato come il sistema AR migliori le prestazioni dei chirurghi e le modalità di training degli interventi. Inoltre, si propongono linee guida per futuri miglioramenti mediante l’utilizzo di reti neurali (CNN) associate ad un diverso uso della sensoristica e/o dei sistemi Hardware nelle fasi di acquis