Simulatore chirurgico aggiornato con dati intraoperatori (PRIN 2008)

Scheda Progetto di ricerca

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Data inizio
27 gennaio 2010

Durata (mesi) 
24

Dipartimenti
Informatica

Responsabili (o referenti locali)
Fiorini Paolo

Descrizione

Questo progetto ha come obiettivo lo sviluppo di un nuovo metodo per assistere il chirurgo. Tramite la fusione di modelli 3D con immagini video regolate automaticamente dello scenario di chirurgia laparoscopica, sarà possibile fornire una vista stabile dell'area dell'intervento ed una visualizzazione efficiente dei dati utili. La generazione di una visualizzazione integrata e coerente rappresenta una sfida ambiziosa, a causa dei movimenti del paziente, della modellizzazione dei tessuti molli e del rischio di danno ai tessuti. La motivazione di questo lavoro è rappresentata dalla necessità di identificare e seguire la posizione dell'area d'interesse durante l'operazione, in modo da fornire al chirurgo una vista stabile. L'assistenza intraoperatoria che vogliamo proporre può aiutare il chirurgo a mappare l'area d'intervento con i dati preoperatori (immagini, modelli 3D), e migliorare la localizzazione degli strumenti laparoscopici rispetto alle Strutture anatomiche. In questo modo i movimenti degli strumenti all'interno dell'addome verranno evidenziati, il tempo d'intervento ridotto migliorando la sicurezza.
Per rispondere all'esigenza di fornire al chirurgo un'integrazione in tempo reale tra la vista della telecamera laparoscopica, la ricostruzione 3D della scena e i dati utili intraoperatori, useremo diverse modalità sensoriali e le integreremo attraverso un processo di registrazione multi-modale. Questo progetto presenta in realtà un obiettivo più complesso: consentire al chirurgo di "vedere" ogni dettaglio anatomico dell'organo operato, incluse le strutture non visibili con la telecamera. Per raggiungere questo obiettivo, consideriamo uno scenario di chirurgia robotica minimamente invasiva (MIRS) dove la telecamera laparoscopica viene sostenuta e controllata da un braccio robotico. Tecniche di controllo di forza e di visual servoing saranno usate per controllare la sonda della telecamera al fine di riconoscere e seguire la zona di interesse. Questo tipo di setup fornirà informazioni visive, che potranno essere registrate e confrontate con i modelli preoperatori e i dati (MRI, CT, ecografia). I controlli di forza e visivi aumenteranno la qualità della visualizzazione intraoperatoria, e quindi assisteranno il chirurgo durante l'intervento.
Importeremo dal mondo industriale il controllo ibrido (forza e visione) e lo adatteremo alle complesse condizioni legate alla deformabilità dei tessuti molli dell'addome.
L'analisi al computer delle immagini mediche è una problematica affrontata da molti autori, al fine di individuare in modo automatico, identificare e classificare le strutture anatomiche e patologiche all'interno delle immagini preoperatorie. I metodi di segmentazione avanzati trasferiscono una conoscenza a priori dell'anatomia in vincoli topologici, geometrici e morfologici, consentendo quindi l'estrazione automatica di caratteristiche anatomiche rilevanti. L'elaborazione d'immagini mediche si focalizza sul riconoscimento automatico di patologie e non sull'estrazione di misure necessarie per guidare un robot autonomo.
Integreremo i dati preoperatori con le misure intraoperatorie per ottenere le informazioni necessarie a guidare un braccio che sostiene la telecamera e mantenere una vista solidale con l'area d'interesse. Useremo le misure dei sensori di forza per compensare i movimenti fisiologici e garantire che la telecamera non danneggi i tessuti con cui viene a contatto, e le immagini della telecamera per identificare e seguire i punti rilevanti nella scena e ricostruire la superficie degli organi.
Il consorzio "HyCARoS" è composto da quattro unità di ricerca. Una unità include membri afferenti al dipartimento di chirurgia generale per assicurare l'efficacia sperimentale e l'applicabilità delle soluzioni. Il coordinatore della proposta è l'Università di Verona, il cui gruppo include membri del Dipartimento di Informatica e di Radiologia. L'attività di questo gruppo sarà incentrata sull'elaborazione di modelli preoperatori, sulla calibrazione e calcolo del loro comportamento dinamico e sull'integrazione delle immagini della telecamera. L'unità "Campus Bio-Medico" comprende componenti di staff chirurgici e si dedicherà alle specifiche e ai test di laboratorio sul prototipo. Il team dell'Università di Modena-Reggio Emilia si focalizzerà sul controllo del contatto tra la telecamera laparoscopica e la superficie degli organi, basandosi su una traiettoria di forza calcolata sul modello 3D. Questo ciclo minimizzerà la forza di contatto tra lo stelo della telecamera e i tessuti, evitando così il danneggiamento dei tessuti. Infine, il gruppo dell'Università di Ferrara eseguirà il controllo della traiettoria dello strumento laparoscopico sotto la guida della telecamera e del modello 3D.
Ci aspettiamo di ottenere come risultato del progetto proposto lo sviluppo di un dimostratore di questo nuovo controllo ibrido, che verrà applicato su un phantom e testato durante una procedura chirurgica realistica.

Enti finanziatori:

PRIN VALUTATO POSITIVAMENTE
Finanziamento: richiesto
Programma: COFIN - Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale

Partecipanti al progetto

Debora Botturi
Paolo Fiorini
Professore ordinario
Francesca Pizzorni Ferrarese
Davide Zerbato
Assegnista
Aree di ricerca coinvolte dal progetto
Sistemi ciberfisici
Computer systems organization - Embedded and cyber-physical systems
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