Calibrazione di modelli deformabili per simulazione di organi

1 Introduzione
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 am-
pio progetto in via di sviluppo nel laboratorio Altair. Tale progetto riguarda
la realizzazione di un simulatore di chirurgia laparoscopica nelle sue compo-
nenti 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 propo-
sto in questa tesi ha come obiettivo la determinazione e l'implementazione di
metodi per la calibrazione di un modello massa molla. Nelle sezioni successi-
ve descriveremo brevemente le caratteristiche e le problematiche legate alla
laparoscopia e alla teleoperazione, quindi introdurremo i simulatori di lapa-
roscopia che rappresentano lo stato dell'arte, infine motiveremo la necessità
di procedure specifiche per la calibrazione del modello.
1.1 Laparoscopia
Per minimizzare i disagi dovuti all'intervento e massimizzarne il successo te-
rapeutico, la moderna chirurgia si sta evolvendo come una disciplina sempre
meno invasiva, che tende a limitare la traumaticità degli interventi. Un clas-
sico esempio è costituito dall'endoscopia, tecnica diagnostica e terapeutica
importantissima, che permette sia di avere una visione diretta dell'organo
da esplorare, sia di eseguire, con appositi strumenti, opportune operazioni
chirurgiche. Nel caso di organi contenuti nella cavità addominale e pelvica,
l'esame prende il nome di laparoscopia o di videolaparoscopia. L'interven-
to in laparoscopia è ormai il trattamento più indicato per diversi interventi
chirurgici (ad esempio la colecistectomia ovvero l'asportazione chirurgica di
parte della cistifellea). L'incisione chirurgica tramite la lama del bisturi ne-
cessaria nella chirurgia tradizionale viene sostituita nella laparoscopia da più
fori, denominati tecnicamente porte o portali di diametro variabile tra i 5 e
i 10 mm, attraverso i quali si introducono sistemi visivi (telecamera), piccoli
strumenti e fonti di energia (elettrobisturi, ultrasuoni ecc.). Quando neces-
sario attraverso tali porte è possibile anche estrarre organi e tessuti malati
nonché impiantare materiali protesici.
Un intervento di chirurgia laparoscopica può richiedere la preventiva in-
suazione dell'addome del paziente con biossido di carbonio (CO2). In se-
guito utilizzando un trocar (uno strumento chirurgico appuntito utilizzato
per perforare i tessuti) si ottiene il portale principale attraverso cui si intro-
duce un laparoscopio entro la cavità addominale in modo da poter controllare
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le successive operazioni che consistono nell'inserimento degli altri strumen-
ti necessari attraverso i portali secondari (in genere due). Durante queste
fasi iniziali è necessaria esperienza e conoscenza degli strumenti per evitare
inutili lesioni a tessuti sani e per garantire la maggior libertà di movimento
possibile durante lo svolgimento dell'intervento vero e proprio.
Il laparoscopio ha come unica funzione quella di permettere la visione
dell'interno delle cavità addominali, resa possibile grazie ad un insieme di
lenti e a dei fasci di fibre ottiche che permettono di illuminare gli organi
di interesse. Il diametro di un laparoscopio può variare, ma nella chirurgia
umana si utilizzano di norma strumenti con diametro 10 mm e lunghezza 33
cm. Gli altri strumenti utilizzati nella chirurgia laparoscopica riproducono
in scala ridotta forma e funzionalità degli strumenti della chirurgia tradizio-
nale: si hanno quindi pinze atraumatiche per afferrare delicatamente le parti
di tessuto sano, pinze aggressive da utilizzare per afferrare e asportare le
porzioni di tessuto malato, forbici diritte e curve per il taglio e la dissezione
e forbici a gancio per il taglio di suture e strutture tubolari. Tutti questi
strumenti sono realizzati in maniera da poter essere inseriti all'interno di
cannule che ne permettono l'introduzione nelle cavità del paziente (Figura
1.1).
Figura 1.1: Strumenti utilizzati in laparoscopia: dall'alto in basso lo stru-
mento assemblato, smontato per la disinfezione e alcuni dei possibili tipi di
pinza che si possono montare
La chirurgia laparoscopica è stata introdotta nella seconda metà degli
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anni ottanta, con interventi di colecistectomia laparoscopica ed è tuttora
utilizzata in molti interventi di chirurgia cardiaca, quali l'innesto di bypass
coronarici o la riparazione e la sostituzione di valvole cardiache e la cura
di malformazioni cardiache congenite, in ginecologia e in tempi più recenti
anche in urologia ed epatologia. Infatti sebbene la resezione di organi come
l'intestino o lo stomaco attraverso laparoscopia sia stata introdotta nel 1990 è
solo negli ultimi quattro anni che si è giunti alla possibilità di resezionare con
tecniche moderne e risultati soddisfacenti organi solidi ovvero organi quali
il fegato, i reni e le giandole surrenali. Al giorno d'oggi la resezione epatica
è effettuata in pochi centri ospedalieri al mondo, tuttavia è argomento di
notevoli studi e ricerche ([4], [5], [6], [7], [9]).
Il trattamento laparoscopico comporta numerosi vantaggi dal punto di
vista del paziente rispetto al trattamento chirurgico classico. Grazie al fatto
che non vengono lesi dei muscoli ed il danno tissutale è contenuto al minimo,
il dolore post-operatorio è ridotto drasticamente, e risulta possibile eseguire
trattamenti laparoscopici anche in condizioni di anestesia locale, sebbene in
genere si preferisca l'anestesia generale per ridurre i movimenti del pazien-
te e l'impatto emotivo dell'intervento. Venendo a mancare l'invasività delle
incisioni chirurgiche e i successivi tempi di cicatrizzazione e consolidamento
delle ferite muscolocutanee la degenza post-operatoria è sensibilmente ridot-
ta, ed anche la convalescenza avviene più rapidamente. La perdita di sangue
durante l'intervento in laparoscopia è in media sensibilmente inferiore e ciò
fa sì che un paziente operato in laparoscopia non richieda solitamente alcu-
na trasfusione, a differenza di alcune procedure tradizionali. Risulta anche
evidente che il migliore risultato estetico assume una valenza rilevante.
I vantaggi introdotti dall'utilizzo di questa nuova tecnologia non vanno
visti solo sotto l'aspetto clinico, ma anche dal punto di vista economico:
il contributo ad una riduzione dell'insorgere di complicazioni e di ricadute
consente minori costi diretti e indiretti, grazie ad una più rapida dimissione
dalla struttura ospedaliera e ad una riduzione dei tempi di convalescenza.
Quando gli interventi vengono svolti da personale preparato, la percentuale
di complicazioni si mantiene su bassi livelli e il risparmio ottenibile dalla
diminuzione della degenza supera da solo i maggiori costi sostenuti per l'ac-
quisto e la gestione della strumentazione necessaria per operare in laparosco-
pia. Ciò consente alle strutture ospedaliera un notevole vantaggio in termini
economici. Considerando anche altri aspetti secondari, come ad esempio la
riduzione della quantità di farmaci analgesici somministrati, si può notare
come anch'essi concorrano, seppure limitatamente, ad una diminuzione dei
costi sostenuti per interventi in laparoscopia.
Come già accennato nel paragrafo precedente per consentire interventi
laparoscopici è necessario fornirsi di apparecchiature costose: gli strumenti
usati durano generalmente meno dei corrispondenti strumenti per gli inter-
venti tradizionali e quando ci si affida a strumenti usa e getta i costi levitano
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ulteriormente a causa della necessaria miniaturizzazione degli utensili. Sono
richieste inoltre apparecchiature dedicate che richiedono investimenti iniziali
maggiori e solitamente il tempo necessario per portare a termine un inter-
vento laparoscopico è maggiore del tempo richiesto dall'analogo intervento di
chirurgia tradizionale. Dal punto di vista del chirurgo la laparoscopia richie-
de preparazione ed esperienza. Infatti la necessità di manovrare gli strumenti
attraverso i trocar limita la libertà di movimenti ed introduce una risposta
inversa da parte degli strumenti al movimento imposto dal medico. Duran-
te l'intervento al chirurgo è fornita la visione indiretta e bidimensionale del
campo di lavoro tipica dei sistemi a telecamera, viene inoltre notevomente
ridotta la naturale coordinazione dei movimenti tra occhio, mani e oggetto
d'interesse a causa del disaccoppiamento tra immagini e oggetto reale. Infine
viene persa la sensazione tattile, e ciò comporta difficoltà nell'esecuzione di
compiti comuni quali la sutura e il controllo del sanguinamento dei tessuti.
1.2 Teleoperazione
Le limitazioni proprie della laparoscopia fanno si che gli svantaggi derivanti
dall'introduzione della teleoperazione nelle operazioni chirurgiche siano ri-
dotti al minimo. Al contrario, vedremo che i vantaggi per il medico e il
paziente risultano notevoli, al costo di una indispensabile progettazione di
sistemi dedicati.
Tipicamente la manipolazione remota richiede un'apparecchiatura che
possa eseguire un'ampia gamma di manipolazioni fisiche. Il compito da ese-
guire può essere distinto in base alla locazione in cui dev'essere svolto e alla
conoscenza a priori che si ha del compito stesso. Un sistema ideale posto nel
sito remoto ha la stessa capacità di un umano nell'eseguire manipolazioni
fisiche. I sistemi di operazione remota reali sono ben lontani dal garantire
questa caratteristica, quindi spesso si rende necessario sviluppare sistemi in
base alle necessità. Le caratteristiche delle apparacchiature di teleoperazione
odierne variano quindi notevolmente in base alla natura delle operazioni che
devono svolgere, all'affidabilità che è necessario garantire e all'ambiente in
cui devono operare. La tipica configurazione di un sistema di manipolazione
remota è quella schematizzata in Figura 1.2. Il manipolatore remoto viene
denominato slave mentre la postazione da cui l'operatore umano esegue il
controllo prende il nome di master. Lo slave dev'essere in grado di eseguire
i compiti dati dall'operatore, inoltre è generalmente dotato di sensori che
raccolgono indicazioni per fornire feedback all'operatore. Spesso i manipo-
latori remoti sono dotati di videocamere per raccogliere informazioni visive
da riproporre all'operatore, inoltre possono aver sensori di forza o di coppia
montati sull'end-effector per fornire indizi sulla forza che il robot applica agli
oggetti che sta manipolando. Se l'operatore umano non può vedere diret-
tamente il sito in cui il manipolatore lavora è necessario fornire almeno il
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feedback visivo. I segnali di controllo e di feedback sono trasmessi attraverso
un canale di comunicazione che collega il master e lo slave.
Figura 1.2: La configurazione tipica di un sistema di teleoperazione
Le problematiche legate alla manipolazione remota sono molteplici e pos-
sono interessare gli aspetti implementativi oppure l'interazione del sistema
finale con l'utente. Generalemente non è possibile fornire un collegamento
tra il manipolatore remoto e la postazione di controllo che garantisca una
larghezza di banda sufficiente a trasferire tutte le informazioni necessarie. Si
rende quindi necessario ridurre al minimo i dati trasmessi, a volte a scapito
della naturalezza dell'interazione con l'operatore. Un altro aspetto legato al
canale di comunicazione riguarda i ritardi introdotti nello scambio dei dati:
un ritardo troppo elevato tra un comando e la visualizzazione dei risultati
comporta l'impossibilità di controllare in maniera continua il manipolatore,
inoltre un anello di controllo chiuso diviene instabile alle frequenze per le
quali il periodo è maggiore del doppio del ritardo. Soprattutto nell'ambito
della teleoperazione è necessario che il sistema rispetti dei vincoli riguardanti
lo spazio di lavoro in cui può operare, la velocità dei movimenti e le forze
esercitate in modo da evitare danni ai tessuti circostanti. Quando non è
possibile ovviare a questi inconvenienti è necessario che l'utente si adatti al
sistema, interagendo in modalità move-and-wait, ovvero attendendo di volta
in volta i risultati delle proprie azioni, e accettando feedback ridotti, co-
me una diminuzione nel numero di fotogrammi al secondo o nelle sensazioni
aptiche. Ciò comporta un degrado del comfort e delle prestazioni dell'utente.
Uno dei componenti chiave di ogni sistema di teleoperazione è quindi
l'interfaccia che il sistema mette a disposizione dell'operatore, in quanto tale
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componente determina in quale maniera e con quale intensità l'operatore per-
cepisce l'ambiente remoto e influisce pesantemente sulla capacità di controllo
del manipolatore. È necessario perciò che l'interfaccia presenti all'operatore
tutte le informazioni disponibili sul sito di lavoro e che permetta di con-
trollare in maniera efficiente il robot. In ogni caso le sensazioni trasmesse
attraverso l'interfaccia difficilmente riescono a ricreare completamente l'am-
biente remoto, innanzitutto perchè i sensori non raccolgono completamente
le informazioni e inoltre perchè risulta estremamente complesso riprodurle
per l'operatore con un alto grado di realismo. La tecnologia attuale per-
mette di ricostruire abbastanza fedelmente le sensazioni visive, tuttavia il
rilevamento e la sintesi di feedback aptico sono ancora problemi aperti.
Recentemente sono stati introdotti sistemi di telemanipolazione come il
da Vinci (Intuitive Surgical, Sunnyvale, CA) (Figura 1.3) e lo Zeus (Compu-
ter Motion, Goleta, CA) (Figura 1.4 con l'obiettivo di migliorare la visuale
fornita ed aumentare la naturalezza dei movimenti del chirugo. Entrambi
Figura 1.3: Il sistema di teleoperazione da Vinci: in (a) la postazione del
chirurgo (master) e in (b) il robot che controlla il laparoscopio e gli strumenti
(slave).
questi sistemi presentano una stazione master che fornisce al chirurgo l'out-
put grafico, nel caso del da Vinci vengono utilzzati due schermi per garantire
una visione tridimensionale, mentre lo Zeus fornisce una visione bidimensio-
nale ingrandita della zona da operare. Il medico interagisce con la stazione
attraverso due joystick indipendenti e simmetrici la cui forma copia la forma
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degli strumenti utilizzati in laparoscopia. Attraverso questi joystick vengono
comandati i due bracci slave forniti di strumenti chirurgici che effettuano le
operazioni sul paziente. Attraverso la telemanipolazione viene facilitato il
movimento degli strumenti nell'addome: al chirurgo è sufficiente muovere i
joystick in maniera immediata, il software di controllo si incarica di coman-
dare i bracci in modo da mantenere i punti di rotazione coincidenti con i
punti di incisione nell'addome durante tutto il movimento.
Figura 1.4: Il sistema di teleoperazione Zeus: in (a) la console del chirur-
go (master) e in (b) i bracci robotici che controllano il laparoscopio e gli
strumenti (slave).
Ci sono molte caratteristiche da migliorare in questo genere di apparec-
chiature, prima fra tutte la resa della sensazione aptica. La mancanza di
sensazioni tattili è l'ostacolo principale che il chirurgo deve superare nell'uso
di questi sistemi. I problemi legati all'introduzione del ritorno di forza in
apparecchiature ad uso medico sono sia di tipo economico che di tipo con-
cettuale. La miniaturizzazione dei sensori di misura è l'incremento della loro
sensibilià, se affiancati ad una riduzione dei costi di produzione permette-
ranno notevoli evoluzioni in questa direzione nel futuro prossimo, tuttavia
è necessario svilupparo tecniche di controllo che garantiscano il rispetto dei
vincoli di sicurezza imposti dall'ambito di utilizzo. A fronte dell'introduzione
del ritorno di forza è necessario migliorare la struttura master. L'interfaccia
aptica fornita dovrà infatti essere il più possibile leggera, poichè il chirurgo
percepisce la sua inerzia durante l'interazione con l'utensile e ciò costituisce
un disturbo dal momento che si somma al feedback di forza generato dal-
l'interfaccia. In secondo luogo la rigidezza dei joystick dev'essere aumentata
per consentire la resa delle sensazioni di contatto con corpi ad alta rigidi-
tà. Tutto ciò dev'essere fatto rispettando i vincoli di sicurezza che richiede
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l'interazione del robot con l'operatore e con il paziente, e riducendo al mi-
nimo la sensibilità ai disturbi elettromagnetici derivanti da altri strumenti
necessariamente presenti nella camera operatoria.
Le possibilità offerte da questi strumenti nell'assistenza del chirurgo du-
rante un intervento sono molteplici. La capacità di filtrare i movimenti del
chirurgo, e di amplificarli se necessario, consente di svolgere in maniera pre-
cisa ed efficiente procedure videolaparoscopiche molto avanzate e delicate,
che risulterebbero impraticabili se svolte dal chirurgo in prima persona. La
possibilità di riaccoppiare le immagini ai movimenti e all'oggetto su cui si
sta operando consente al medico di concentrare la propria attenzione all'in-
tervento in se, e non alla ricostruzione mentale della scena e alla traduzione
dei movimenti da svolgere. Di conseguenza, grazie all'uso della teleopera-
zione, è possibile estendere le tipologie di interventi che è possibile eseguire
in laparoscopia alla ricostruzione di vasi, alla chirurgia del pancreas e alla
resezione intestinale.
1.3 Simulatori
Per consentire ai medici di formarsi efficacemente alla chirurgia laparosco-
pica e all'utilizzo dei sistemi di telemanipolazione in questi ultimi anni si
cercano soluzioni efficienti per la simulazione di organi e del loro comporta-
mento durante gli interventi. Le aspettative riposte in questi sistemi sono
molto elevate e negli ultimi anni si stanno sviluppando molteplici ambienti
di simulazione come il progetto AISIM sviluppato dall'INRIA [38] ed ora
confluito nel progetto Epidaure [8], il Touch Lab del MIT [39] o sistemi
commerciali come il VEST System One della Select IT VEST System AG.
Le problematiche legate alla simulazione di tessuti molli e di interventi
laparoscopici sono molteplici e vanno dalla segmentazione automatica o se-
miautomatica degli organi e dei tessuti negli esami diagnostici, alla scelta
del modello che garantisce il miglior compromesso tra complessità di calcolo
e realismo fornito, dalla calibrazione del modello con valori che restituisca-
no comportamenti verosimili e alla calibrazione di modelli personalizzati
che permettano il pre-planning di interventi o la simulazione di impianti
protesici.
Il carattere commerciale del Vest System One non consente di conoscerne
i dettagli implementativi, tuttavia sono disponibili immagini del simulatore,
riportate in Figura 1.5. Nel progetto Epidaure invece Ayache ed altri stanno
approfondendo le possibilità offerte dai diversi esami medici per l'estrazione
di dati meccanici relativi ai tessuti, le problematiche legate all'automazione
della segmentazione, e l'uso di modelli ibridi (descritti nel Capitolo 3). Per
quanto riguarda invece il Touch Lab, gli ambiti di ricerca sono più foca-
lizzati allo studio della percezione tattile e della resa delle sensazioni apti-
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che, calcolate secondo un modello agli elementi finiti (descritto anch'esso nel
Capitolo 3).
Attraverso tali simulatori si possono studiare le limitazioni dell'opera-
tore umano negli interventi in laparoscopia, ma è anche possibile ottenere
informazioni importanti per l'implementazione di sistemi di teleoperazione.
Sono stati condotti ad esempio degli studi su quanto influisce la riduzione
del frame rate sulle prestazioni dell'operatore [37], oppure su quanto sia pos-
sibile limitare la banda utilizzata nella trasmissione dei dati riducendo la
risoluzione o la profondità dei livelli di grigio delle immagini fornite al me-
dico. L'uso dei simulatori per l'addestramento permette la manipolazione di
organi e tessuti virtuali, evitando i costi e i limiti etici imposti dall'uso delle
loro controparti reali, consente la ripetizione degli interventi per l'acquisizio-
ne delle abilità necessarie alla manipolazione degli strumenti chirurgici e al
superamento delle difficoltà legate all'inversione dei movimenti, alla mancan-
za o all'incompletezza delle sensazioni aptiche, infine è possibile utilizzare i
simulatori per pianificare nuove procedure chirurgiche.
Figura 1.5: Il simulatore VEST System One, in (a) il sistema completo, in
(b) il dettaglio dell'immagine ricostruita durante la simulazione.
1.4 Obiettivi e motivazioni
Nel corso di questa tesi verranno sviluppate due procedure per la calibrazione
dei parametri dei modelli massa molla. La prima permetterà l'identificazione
dei valori che caratterizzano la massa del modello a partire dai valori raccolti
attraverso esami di tomografia assiale opportunamente trattati. La seconda
attraverso misurazioni di forza e deformazione eseguite su campioni di tessu-
to consentirà il calcolo dei coefficienti di elasticità necessari a controllare la
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