Nel recente sviluppo di metodologie e tecnologie dedicate alla realizzazione di procedure mediche robot-assistite, esigenze dettate da criteri di sicurezza e di tutela della salute nell'ambiente clinico, unitamente al desiderio di combinare l'esperienza e le intenzioni dell'operatore con l'accuratezza e le capacità cognitive del sistema robotico, hanno favorito, negli anni, un utilizzo di paradigmi di controllo a distanza ("teleoperazione") e di controllo condiviso. Tuttavia sebbene queste esigenze di sicurezza - evidenziate anche dall'attuale emergenza sanitaria di COVID-19 - rendano queste strategie di controllo particolarmente desiderabili, l'impiego di sistemi robotici teleoperati richiede un appropriato supporto tecnologico, come dispositivi di realtà aumentata o interfacce aptiche, che compensino la mancanza di feedback diretto da parte dell'operatore. Ispirati anche dalle criticità recentemente emerse in questa prospettiva, in questo progetto si intendono sviluppare dei metodi di ricostruzione delle forze di interazione scambiate tra il robot ed un ambiente remoto in procedure mediche robot-assistite, per compensare la mancanza di un feedback aptico diretto. Lo studio verrà condotto rispetto a tre diverse applicazioni, al fine di individuare processi di elaborazione comuni per una formalizzazione generale delle strategie impiegate. A supporto di questo sforzo metodologico, verrà fornito un contributo tecnologico basato sullo sviluppo di un framework modulare per la ricostruzione, la pianificazione e la navigazione virtuale dell'ambiente clinico di interesse in un ambiente di simulazione. Il sistema progettato offrirà all'operatore una visualizzazione 3D in tempo reale dell'ambiente remoto, costituendo un'infrastruttura generale per l'implementazione di procedure mediche robot-assistite arbitrarie.
Analogamente alla definizione degli obiettivi del progetto, il carattere innovativo di questa ricerca è duplice e presenta una natura sia metodologica che tecnologica.
Dal punto di vista metodologico, conoscere l'interazione tra lo strumento manipolato e l'ambiente permette, da un lato, di automatizzare e migliorare procedure manuali ripetitive e stancanti, o di scarsa praticità per l'operatore; dall'altro, in caso di procedure teleoperate, permette di suggerire all'operatore le manovre ottimali mediante la generazione di opportuni segnali di forza sulle interfacce aptiche utilizzate ("haptic guidance"). Queste capacità saranno investigate nelle tre applicazioni su cui si focalizza questo progetto.
Nella radiologia interventistica, nell'ambito di esami diagnostici basati su prelievo di tessuto organico (biopsia) sotto guida visuale (TAC, risonanza magnetica, ecografia), la stima delle forze di contatto permette, partendo da un modello di interazione assegnato, di identificare contributi specifici, come la forza elastica misurata alla punta dell'ago o l'attrito generato lungo il suo asse durante l'inserimento. Questo consente di implementare delle strategie di rendering che possono "aumentare" la percezione dell'operatore mediante l'eliminazione della componente di attrito, migliorando sensibilmente la transizione nel passaggio da uno strato all'altro.
Negli interventi endovascolari, poter stimare le force di contatto tra un catetere orientabile e le pareti dei vasi sanguigni permette di identificare, e quindi prevenire, eventi indesiderati come il danneggiamento dei tessuti o fenomeni di vasocostrizione. Il lavoro [14], introdotto nella descrizione dello stato dell'arte, può essere ulteriormente esteso per considerare manovre del catetere nello spazio 3D, e risalire quindi a ricostruzioni più accurate delle forze di contatto con le pareti vascolari, unitamente all'identificazione esatta dei punti di contatto lungo la struttura.
Nel trattamento oncologico in ipertermia, infine, le difficoltà legate al corretto posizionamento dell'antenna termica sull'area di interesse verrebbero superate attraverso l'impiego di un sistema robotico che ne consente la localizzazione e il posizionamento automatico. In particolare, conoscendo un modello di interazione elettromagnetico dell'accoppiamento tra l'antenna e il corpo del paziente, sarà possibile stabilire il posizionamento ottimale per garantire una specifica distribuzione di calore desiderata sul volume bersaglio, massimizzando l'efficacia del trattamento.
Dal punto di vista tecnologico, per l'esecuzione di procedure teleoperate in ambienti remoti, nelle fasi preoperative e intraoperative ci si avvale, nell'ambiente medico, di sistemi di simulazione e di navigazione specifici per il compito da eseguire, offrendo spesso una visualizzazione dell'ambiente di lavoro locale rispetto alla regione anatomica interessata dalla procedura. Inoltre, laddove il setup clinico preveda l'impiego di sistemi di imaging ad alta risoluzione (TAC, risonanza magnetica), una visualizzazione in real-time della procedura in corso è difficilmente realizzabile, a causa dell'elevato sforzo computazionale richiesto per l'elaborazione delle immagini. L'introduzione di un "gemello digitale" nella pratica clinica mediante un simulatore virtuale, oltre ad offrire una visualizzazione 3D real-time dell'ambiente reale accuratamente modellato e ricostruito, permette di implementare funzioni di pianificazione, simulazione e navigazione virtuale a supporto dell'operatore, rappresentando un punto di partenza importante che può rispondere alle limitazioni tecnologiche sopracitate. L'interfacciamento diretto del sistema con il simulatore permette, da un lato, di integrare in un unico ambiente virtuale i modelli 3D delle regioni anatomiche di interesse, ricostruite da immagini cliniche preoperative, con dei modelli accurati dei sistemi tecnologici adoperati nel workspace di riferimento (sistema robotico, strumenti chirurgici, ...), realizzando una copia "digitale" e fedele dello scenario medico reale. Dall'altro, con l'ausilio di dispositivi esterni facilmente integrabili, offre all'operatore una percezione dell'ambiente remoto aumentata ed immersiva, riducendo i tempi di esecuzione, le incertezze e i rischi della procedura, migliorando quindi la comprensione e la consapevolezza dell'ambiente e, di conseguenza, le prestazioni e l'outcome clinico della procedura pianificata.