Calibrazione di modelli deformabili per simulazione di organi

Lo sviluppo tecnologico modifica e migliora continuamente la chirurgia tramite l'evoluzione di materiali e sistemi. Negli ultimi anni notevoli sono stati i progressi nelle tecniche di chirurgia minimamente invasiva e gli strumenti sviluppati per affiancare i medici nella diagnosi e nel trattamento di numerose patologie. Negli ultimi tempi sta prendendo sempre più piede la chirurgia laparoscopica.
L'uso della laparoscopia negli interventi chirurgici consente numerosi vantaggi al paziente, tuttavia richiede da parte del medico una notevole esperienza e, se possibile, una maggior concentrazione rispetto a quella necessari negli interventi tradizionali. Infatti le modalità di interazione tipiche della laparoscopia limitano notevolmente le sensazioni che il medico può ricevere dai tessuti che manipola, e, come vedremo nella prossima sezione, anche il più importante dei sensi dell'uomo, la vista, in questo genere di interventi viene filtrato attraverso una telecamera ed un monitor. Queste caratteristiche, che sono anche le principali limitazioni della laparoscopia, l'hanno resa il candidato ideale per l'introduzione della manipolazione robotica in ambito medico. In questi anni infatti si assiste sempre più frequentemente all'uso di sistemi di teleoperazione complessi nelle sale operatorie. La possibilità di assistere e addirittura sostituire le mani del chirurgo con degli strumenti guidati dal computer è uno dei più grandi risultati della teleoperazione. Il compito assegnato ai robot è tuttavia talmente delicato da richiedere dei requisiti di sicurezza specifici per l'ambito di applicazione medico: alle comuni problematiche legate alla manipolazione remota, si aggiungono quindi notevoli vincoli sui ritardi ammissibili e sulle forze applicate. L'ultimo passo in questa evoluzione tecnologia, prevede di sostituire anche il paziente con una sua ricostruzione virtuale. Sebbene possa sembrare paradossale, la possibilità di operare su pazienti virtuali permette dei vantaggi enormi sia per il training di giovani chirurghi che nella pianificazione di interventi particolarmente delicati. Lo sviluppo di simulatori per interventi chirurgici procede in questo momento seguendo due differenti strade. Sono disponibili in commercio simulacri delle strutture interne del corpo umano che possono essere utilizzati per istruire i medici e per addestrarli agli interventi. L'altra via, certamente più promettente dal punto di vista informatico, prevede la ricostruzione virtuale del corpo umano nella forma e nel comportamento, per permettere l'interazione con strumenti medici virtuali, fornendo dati visuali e ritorno di forza realistici.
Il lavoro svolto nel corso di questa tesi si colloca all'interno di un più ampio progetto in via di sviluppo nel laboratorio Altair. Tale progetto riguarda la realizzazione di un simulatore di chirurgia laparoscopica nelle sue componenti software ed hardware. La necessità di ricostruire gli organi dell'addome umano ha richiesto l'esame di tecniche per la modellazione dei tessuti molli e lo sviluppo di strumenti per la calibrazione di tali modelli. Il lavoro proposto in questa tesi ha come obiettivo la determinazione e l'implementazione di metodi per la calibrazione di un modello massa molla. Nelle sezioni successive descriveremo brevemente le caratteristiche e le problematiche legate alla laparoscopia e alla teleoperazione, quindi introdurremo i simulatori di laparoscopia che rappresentano lo stato dell'arte, infine motiveremo la necessità di procedure specifiche per la calibrazione del modello.