Simulazione di un intervento chirurgico in 3D per la progettazione di nuovi dispositivi medici

Convalida virtuale della chirurgia robotica ambulatoriale

Come i calli che si formano sulle mani, l’uso eccessivo della voce può provocare escrescenze dure e non cancerose sulle corde vocali. Rimuovere tempestivamente questi noduli per preservare la funzione delle corde vocali è vitale per attori e cantanti che fanno affidamento sulla propria voce. Il percorso tradizionale per rimuovere i noduli benigni, così come alcuni rari tumori cancerosi, è l’intervento chirurgico in una sala operatoria ospedaliera.

Negli ultimi anni, la rimozione laser di tali lesioni negli studi medici ha guadagnato popolarità. La procedura prevede l'eliminazione delle escrescenze delle corde vocali con impulsi laser per distruggerle o ridurle. Può essere un intervento chirurgico ambulatoriale rapido che non richiede anestesia generale.

Tuttavia, la tecnologia dei dispositivi endoscopici utilizzata per le procedure odierne presenta dei limiti. “Funziona. Questa è la buona notizia”, dice Loris Fichera, professore di ingegneria robotica al Worcester Polytechnic Institute (WPI). “La cattiva notizia è che può essere difficile raggiungere alcune parti della scatola vocale perché gli strumenti sono molto limitati nel modo in cui dirigono la luce.”

Nuovi design di fibre ottiche e configurazioni di endoscopi dovrebbero superare questa limitazione. Fichera e i suoi colleghi hanno utilizzato MATLAB^® per simulare il modo in cui le fibre con punte angolate, invece di quelle piatte utilizzate oggi, funzionano meglio nei modelli 3D ad alta definizione della scatola vocale umana, o laringe. Simulando i dispositivi medici, sperano di ridurre i tempi e i costi necessari per realizzare prototipi fisici che devono essere testati prima su cadaveri e poi in clinica. Le simulazioni potrebbero fornire una convalida durante lo sviluppo di fibre ottiche e strumenti endoscopici più efficaci in futuro.

Un'illustrazione mostra un tumore sopra la corda vocale che è in vista della fibra laser piatta. La seconda illustrazione mostra che se il tumore è sotto la corda vocale è bloccato dalla piega e non può essere visto.

a) Il cono blu rappresenta la vista della telecamera endoscopica, che include una vista del tumore. La linea rossa tratteggiata rappresenta la linea di vista della fibra laser. b) Un tumore situato sotto la corda vocale è meno accessibile alla fibra laser rivolta in avanti. (Crediti dell’immagine: illustrazione di Carla Dipasquale, su concessione di Loris Fichera)

“Questi dispositivi costano molto tempo e denaro per la produzione,” afferma Fichera. “Utilizzando la simulazione con MATLAB, possiamo valutare rapidamente decine di progetti diversi senza realizzarli. Determiniamo quale configurazione è promettente ed è quella che dovremmo prototipare. Ciò riduce i tempi di prototipazione, rendendola molto più conveniente. Ogni ciclo di progettazione e prototipazione ora richiede solo dalle tre settimane ai due mesi, a seconda della complessità del progetto”.

Scatola vocale virtuale

L'intervento chirurgico alla laringe prevede il passaggio nella gola di un endoscopio sottile e flessibile che trasporta una telecamera e una fibra ottica. Le fibre ottiche odierne hanno un'estremità piatta ed emettono luce in avanti verso il tessuto bersaglio, quindi non possono raggiungere la superficie inferiore o i bordi delle corde vocali che non sono in linea di vista diretta.

“Con Medical Imaging Toolbox possiamo caricare l'intero set di dati e creare il rendering tridimensionale con pochi clic. Avere questa funzionalità e la capacità di esportare dati è importante: Significa che non partiamo da zero per ogni nuovo progetto. Possiamo fare affidamento su qualcosa che sappiamo che funziona e che è standard. Ciò consente di risparmiare settimane per ogni nuovo progetto.
Loris Fichera, professore di ingegneria robotica, WPI

Ricerche recenti hanno suggerito che le punte affusolate delle fibre che dirigono la luce ad angoli diversi potrebbero consentire ai medici di trattare gli spazi difficili da raggiungere della laringe. Fichera ha collaborato con professionisti medici della Harvard Medical School e del Brigham and Women's Hospital di Boston per valutare l'efficacia di tali fibre angolate. Hanno condotto uno studio basato sulla simulazione confrontando diversi tipi di fibre laser: una tradizionale fibra rivolta in avanti e tre fibre laterali che emettono luce ad angoli di 45°, 70° e 90°, rispettivamente.

Il team WPI ha creato sette diversi modelli anatomici 3D della laringe umana compilando immagini da scansioni di tomografia microcomputerizzata (microCT) di campioni di laringe ed elaborandoli con Image Processing Toolbox™.

Le scansioni TC sono una sequenza di immagini 2D in scala di grigi ad alta risoluzione in cui ogni pixel trasmette la densità del tessuto in una posizione. Ciascuna immagine rappresenta una fetta di tessuto distante pochi micrometri dalla fetta nell'immagine seguente. “È come se le foto fossero scattate a diverse altezze”, afferma Fichera. “Elaboriamo queste immagini per ricostruire la forma tridimensionale e il risultato è un file stereolitografico, o STL, lo stesso formato normalmente utilizzato per la stampa 3D”.

Simulazioni della laringe che confrontano le aree raggiungibili dalle fibre lungimiranti rispetto alle fibre a 90° e dimostrano che la fibra a 90° raggiunge un'area maggiore.

La fibra a fuoco laterale a 90° può accedere ad aree della laringe precedentemente irraggiungibili. (Crediti dell’immagine: Loris Fichera)

Il software di radiologia commerciale può ricostruire forme 3D da immagini mediche. Tuttavia, è difficile lavorare con il software e spesso non è possibile esportare i dati nel formato STL richiesto da Fichera e dai suoi colleghi. Il team ha trascorso una settimana a scrivere il codice per convertire le scansioni TC nel rendering 3D della laringe.

“Con Medical Imaging Toolbox possiamo caricare l'intero set di dati e creare il rendering tridimensionale con pochi clic. Avere questa funzionalità e la capacità di esportare dati è importante: Significa che non partiamo da zero per ogni nuovo progetto. Possiamo fare affidamento su qualcosa che sappiamo che funziona e che è standard. Ciò consente di risparmiare settimane per ogni nuovo progetto”, afferma Fichera.

Gli studenti laureati di Fichera utilizzano anche Medical Imaging Toolbox™ per il suo corso sui robot chirurgici. In passato, gli studenti avevano il compito di esercitarsi nella ricostruzione tridimensionale utilizzando software di radiologia. “Non c'è più bisogno che utilizzino quel software,” afferma Fichera. “Chiedo loro di utilizzare MATLAB per questo.”

Simulazione di un intervento chirurgico

Dopo aver creato i modelli della laringe virtuale, il team WPI ha utilizzato il codice MATLAB open source di File Exchange per creare un modello di un endoscopio commerciale di uso comune. L'endoscopio ha la punta della telecamera sulla corda vocale destra e la punta della fibra laser su quella sinistra. Si muove con tre gradi di libertà.

“Con Parallel Computing Toolbox, la simulazione richiede circa sette ore per essere eseguita. Senza il calcolo parallelo, ci vorrebbe molto più tempo, probabilmente giorni”.
Loris Fichera, professore di ingegneria robotica, WPI

Il team ha creato un programma per simulare l'inserimento e il movimento dell'endoscopio nella laringe utilizzando un algoritmo di pianificazione del movimento. I ricercatori hanno utilizzato gli endoscopi virtuali con le diverse fibre ottiche nei sette modelli di laringe. Il programma ha prodotto una nuvola di punti che rappresenta tutte le posizioni della laringe che gli strumenti possono raggiungere.

Successivamente, hanno utilizzato il ray casting, una tecnica computazionale ampiamente utilizzata dagli sviluppatori di giochi per simulare l’illuminazione in una scena virtuale 3D, per imitare il raggio laser che emerge dalla punta della fibra ottica. Hanno utilizzato un algoritmo di intersezione raggio-triangolo per rilevare il tessuto della laringe raggiunto dal raggio laser. “In sostanza, esaminiamo ognuno di questi punti nebulosi uno per uno e chiediamo: 'OK, se la nostra fibra laser è qui e stiamo applicando luce da questa posizione, quale tessuto raggiungiamo?”

Una simulazione della laringe che mostra l'endoscopio inserito, l'epiglottide, le corde vocali e la trachea. Il modello laser a destra mostra che la fibra orientata lateralmente ha un movimento fino a 90 gradi rispetto alla fibra orientata in avanti.

Il modello dell'endoscopio che mostra i gradi di libertà della fibra. (Crediti dell’immagine: Loris Fichera)

Il ray casting è computazionalmente costoso, dice, quindi hanno utilizzato Parallel Computing Toolbox™ per accelerare i passaggi. “Invece di passare attraverso migliaia di punti di vista e proiettare raggi di luce uno per uno, eseguiamo il ray casting in parallelo da quanti più punti possibili contemporaneamente e poi aggreghiamo tutti i risultati. Con Parallel Computing Toolbox, l'esecuzione della simulazione richiede circa sette ore. Senza il calcolo parallelo, ci vorrebbe molto più tempo, probabilmente giorni”.

Hanno scoperto che le fibre angolate a 45°, 70° e 90° aumentavano il tessuto totale della laringe accessibile e trattabile in media rispettivamente del 50%, 74% e 84%.

Progettazione di endoscopi di prossima generazione

Oltre a fornire la prova che le fibre a fuoco laterale potrebbero migliorare la chirurgia laringea robotica, lo studio ha rivelato una limitazione fondamentale degli odierni endoscopi. Le simulazioni chirurgiche hanno mostrato un evidente divario nella nuvola di punti vicino alla corda vocale destra. “Il software ci diceva che c'era una parte della laringe davvero difficile da raggiungere,” afferma Fichera. “Quindi, se un paziente si presenta con un tumore qui, non è possibile curarlo. Ciò non aveva alcun senso e la prima cosa che abbiamo pensato è stata che dovevamo aver commesso un errore”.

“La nostra idea è quella di sostituire l’endoscopio utilizzato oggi con la nostra versione di questo dispositivo. Qualunque sia il progetto che realizziamo, possiamo fare una simulazione in MATLAB prima di fabbricare o addirittura toccare qualsiasi strumento fisico, osservare se si comporta come previsto e poi passare alla prototipazione.
Loris Fichera, professore di ingegneria robotica, WPI

Simulazioni della laringe che confrontano le aree raggiungibili dalle fibre forward-looking rispetto alle fibre side-fire a 90° e mostrano lo spazio che prima non era disponibile per le fibre forward-looking.

Le simulazioni chirurgiche hanno identificato una lacuna nella nuvola di punti vicino alla corda vocale destra a cui gli endoscopi attualmente disponibili non possono accedere. (Crediti dell’immagine: Loris Fichera)

Con loro sorpresa, i colleghi medici di Fichera hanno confermato di sperimentare effettivamente questa mancanza di accesso alla corda vocale destra. Tornando al programma del computer, il team di Fichera si è reso conto che questo divario era dovuto al design eccentrico dell'endoscopio, con la fotocamera da un lato e la fibra ottica dall'altro, e alla difficoltà per i chirurghi di ruotare completamente l'endoscopio di 360°. .

Fichera afferma che gli endoscopi utilizzati oggi per la chirurgia laringea si basano sul design di altri endoscopi invece di essere ottimizzati per questa procedura specifica. Il team del WPI prevede di utilizzare il proprio studio come base per lo sviluppo di nuovi dispositivi medici endoscopici.

“Abbiamo iniziato questa ricerca credendo che tutto ciò che dovevamo fare fosse sviluppare una nuova fibra continuando a utilizzare la stessa strumentazione,” afferma. “Ma alla fine, penso che questi risultati ci dicano anche che dobbiamo ripensare anche il design dell’endoscopio”.

Fichera e i suoi colleghi stanno pianificando di utilizzare i loro dati per richiedere sovvenzioni e utilizzare i finanziamenti per sviluppare un dispositivo completamente nuovo. “La nostra idea è quella di sostituire l’endoscopio utilizzato oggi con la nostra versione di questo dispositivo. Qualunque sia il progetto che realizziamo, possiamo fare una simulazione in MATLAB prima di fabbricare o addirittura toccare qualsiasi strumento fisico, osservare se si comporta come previsto e poi passare alla prototipazione.

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