La realta' virtuale incontra la medicina

Le tecnologie che permettono una completa immersione in un ambiente virtuale hanno raggiunto un livello tale da permetterne l’applicazione in ambiti differenti e fino a pochi anni fa impensabili. Ecco due esempi di applicazione di tecnologie sviluppate per la realtà virtuale ed utilizzate per migliorare l’attività riabilitativa fisioterapica e per ottimizzare i processi di addestramento dei giovani chirurghi. 
Articolo a cura di Diego Dall’Alba, Laboratorio di Robotica Altair, Dipartimento di Informatica, Università di Verona; Davide Zerbato, BBZ s.r.l., Verona; Paolo Fiorini, Laboratorio di Robotica Altair, Dipartimento di Informatica, Università di Verona Confronto fra le dimensioni di Acteon e il sistema di chirurgia robotica da Vinci

Il mercato trainante per molte tecnologie di realtà virtuale (o VR, dall’inglese Virtual Reality) è quello dei videogiochi. Lo sviluppo di schede video performanti, di sistemi di input tipo Kinect o Leap Motion che permettono un’interazione estremamente immediata e di sistemi di visione immersivi risulta sostenibile solamente grazie al florido mercato che accompagna il mondo dei videogiochi.

Negli ultimi anni, tuttavia, tali tecnologie hanno attratto sempre più interesse da parte sia della comunità scientifica che di aziende leader nei settori dell’intrattenimento e dei social network. Tra gli strumenti maggiormente utilizzati si trovano visori immersivi ad alta risoluzione e sistemi per il rilevamento dei movimenti dell’utente evoluti. L’evoluzione delle piattaforme software è avanzata di pari passo, per garantire il supporto a tali dispositivi. Diversi sono i cosiddetti motori fisici presenti sul mercato, software che permettono di creare ambienti virtuali estremamente realistici, sia dal punto di vista della ricostruzione grafica, sia dal punto di vista delle interazioni e del realismo fisico. Sono già disponibili sul mercato, e ben presto saranno diffusi in molte delle nostre case, diversi sistemi hardware e software che permettono di sperimentare esperienze immersive di VR; in particolare sono da segnalare il sistema di Sony Playstation VR, HTC Vive e Oculus Rift.

Questi sono i sistemi che hanno già raggiunto un livello tecnico e un prezzo tale da permetterne una rapida diffusione, ma molte altre aziende e gruppi di ricerca stanno sviluppando e migliorando ulteriormente il livello di questi sistemi. Anche se la maggior parte di questi sistemi è stata sviluppata e ottimizzata per applicazioni legate al mondo dei videogiochi e più in generale dell’intrattenimento elettronico, è interessante capire quali miglioramenti possono introdurre queste tecnologie quando applicate a settori di rilevanza generale per la vita di molte persone.

Nel prosieguo di questo articolo analizzeremo due progetti che riguardano il mondo della medicina, in cui le tecnologie di VR sono state adattate ed applicate a due problematiche ancora prive di una soluzione: la terapia post-ictus e l’addestramento di giovani chirurghi alla chirurgia minimamente invasiva e robotica.


Un esempio di terapia virtuale: il progetto ViTAS
Il progetto ViTAS, dall’inglese Virtual Therapy Against Stroke ovvero “terapia virtuale contro l’ictus”, nasce dall’esigenza clinica di ottimizzare la terapia fisioterapica di un paziente che ha subito un ictus o ischemia cerebrale. In questo tipo di paziente è scientificamente dimostrato che la maggior parte del recupero avviene nei 3-6 mesi successivi all’episodio critico; idealmente risulterebbe necessario quindi concentrare la terapia fisioterapica in questo periodo per garantire il miglior recupero possibile. Purtroppo vincoli di organizzazione e di costi imposti al sistema sanitario fanno sì che la terapia che è possibile somministrare al paziente sia molto ridotta rispetto a quanto idealmente necessario e tecnicamente fattibile. In questo scenario risulta interessante introdurre tecnologie VR che permettano al paziente e al fisioterapista di incrementare e ottimizzare il tempo impiegato dal paziente nello svolgimento dei suoi esercizi. Il progetto ViTAS viene sviluppato a partire dal 2015 nel Laboratorio Altair presso il Dipartimento di Informatica dell’Università di Verona, ed è frutto della collaborazione con la terapista occupazionale Iris Dimbwadyo affiliata con il Centro Superior de Estudios Universitarios La Salle, Universidad Autonoma de Madrid in Spagna. Nel corso del 2016 ViTAS 1.0 è stato testato su 25 soggetti sani ed è stato approvato dal comitato etico il protocollo sperimentale per i pazienti, dei quali è previsto l'arruolamento. Dal punto di vista tecnico ViTAS 1.0 è basato sul motore grafico Unity 3D e sull’interfaccia utente Leap Motion Controller. L’attuale configurazione hardware necessaria per il funzionamento di ViTAS ha un costo complessivo inferiore a 1000 euro.

È in corso di sviluppo una nuova versione del progetto che permetta di farlo funzionare (con funzionalità limitate) anche su un moderno tablet o smartphone e di migliorare i sensori per il rilevamento dei movimenti del paziente in modo da avere dati più precisi e accurati. In questo modo sarà possibile per il paziente continuare a praticare gli esercizi previsti dalla terapia anche a casa utilizzando dispositivi già disponibili o acquistabili a costi ridotti.

Una caratteristica che distingue ViTAS da altri prodotti commerciali simili è quella di affiancare a semplici giochi interattivi utili per motivare e coinvolgere il paziente nell’esercizio fisioterapico la simulazione di test utilizzati nella pratica fisioterapica reale per valutare lo stato di progressione del paziente. Questa caratteristica consente la sinergia tra la fisioterapia reale e quella virtuale permettendo nuovi paradigmi terapeutici.

Il software permette di misurare numerosi parametri durante l’utilizzo da parte del paziente (come ad esempio i movimenti della mano e di ogni singolo dito, i tempi necessari per il completamento delle diverse parti del gioco/esercizio e gli eventuali errori commessi), in modo che il fisioterapista abbia un’oggettiva valutazione dei progressi del paziente e adattare la terapia alle specifiche esigenze di ogni singolo paziente.

Il sistema ha applicazione che non si limita ai pazienti affetti da ictus, ma può essere applicato in modo efficace a numerose patologie e condizioni, in particolare dell’età infantile nella quale i problemi di motivazione e coinvolgimento del giovane paziente possono complicare lo svolgimento degli esercizi fisioterapici.


Actaeon: un sistema di addestramento basato su realtà virtuale. 
Grazie alla disponibilità di strumenti e tecnologie mediche sempre più avanzate, la moderna pratica chirurgica si sta evolvendo verso tecniche e strumenti sempre meno invasivi per il paziente, con conseguenti notevoli vantaggi in termini di sicurezza e di riduzione dei tempi di ospedalizzazione. A fronte di questi vantaggi aumenta però la complessità per il chirurgo, sia nella corretta esecuzione delle procedure sia nell’utilizzo efficace degli strumenti. L’approccio standard per molti interventi è ormai la laparoscopia e si sta affermando sempre più anche l’uso del robot, come evoluzione naturale dell’approccio laparoscopico. Entrambe queste tecniche forzano il chirurgo ad operare non più attraverso le mani ma attraverso strumenti che lavorano all’interno del paziente, fornendogli una visuale del campo operatorio tramite un monitor. L’aumento della complessità delle tecniche chirurgiche non è stata tuttavia affiancata ad un equivalente sviluppo degli strumenti e dei programmi di addestramento e di valutazione delle abilità dei chirurghi. Negli anni recenti si sta cercando di ovviare alla mancanza di curricula di addestramento strutturati e validati. Come accaduto in aviazione, l’uso di simulazioni virtuali permette di creare scenari controllati e ripetibili e di estrarne informazioni oggettive riguardanti le abilità tecniche e non tecniche dei chirurghi che approcciano una tecnica chirurgica per la prima volta. La possibilità di misurare e valutare le prestazioni di diversi utenti durante l’esecuzione della stessa procedura, legata al basso costo delle simulazioni, rende i sistemi di addestramento basati su realtà virtuale gli strumenti ideali per la formazione e la valutazione dei chirurghi.

Anche in questo ambito, il laboratorio di robotica Altair ha precorso i tempi, iniziando a sviluppare tecnologie d’avanguardia per la simulazione realistica di ambienti anatomici già nel 2007. L’esperienza accumulata nel corso di diversi progetti europei è confluita poi nello sviluppo di Chiron, un software per la simulazione di scenari di addestramento alla chirurgia minimamente invasiva che vanta un’accuratezza fisica difficilmente eguagliata da sistemi analoghi presenti sul mercato. L’industrializzazione e la commercializzazione di tale sistema è stata affidata a BBZ, spin off dell’Università degli Studi di Verona.

BBZ ha esteso le capacità di simulazione del sistema e lo ha integrato con hardware sviluppato ad hoc per ricreare fedelmente l’esperienza d’uso dei sistemi di chirurgia robotica. Il risultato è Actaeon, il primo e unico sistema di addestramento personale che può essere utilizzato dai chirurghi anche a domicilio, grazie alle ridotte dimensioni e alla semplicità di installazione e d’uso.

Actaeon è il sistema di addestramento dedicato alla chirurgia robotica che vanta la risoluzione grafica più alta in assoluto e che ricrea nella maniera più accurata il sistema di controllo del vero robot. A tali soluzioni hardware innovative il sistema affianca ambienti virtuali in cui il chirurgo può addestrarsi in maniera efficace grazie all’estremo realismo fisico della simulazione, che si traduce nell’acquisizione di competenza ed esperienza che altrimenti il chirurgo deve sviluppare “sul campo” con evidente rischio per i pazienti.



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