I
NTRODUZIONE
Dal 1895, con la scoperta della radiologia da parte di Röngten, l’umanità ha finalmente visto realizzarsi il sogno portato avanti per secoli, a partire da Ippocrate fino alle dissertazioni artistico-mediche di Leonardo da Vinci, di poter vedere ed esplorare l’anatomia umana non invasivamente.
Da quel momento la radiologia e l’elaborazione delle immagini mediche hanno visto uno sviluppo inarrestabile e continuo come metodo per l’esplorazione del corpo umano e come base per un risolutivo e repentino avanzamento nelle tecniche diagnostiche.
Tale evoluzione tecnologica negli ultimi anni sta iniziando a riversarsi anche in campo chirurgico: l’imaging medicale, la robotica, la realtà aumentata e la strumentazione intelligente stanno guidando la metamorfosi delle procedure chirurgiche dallo scenario "tradizionale", basato esclusivamente sulle capacità del chirurgo, allo scenario "computer assistito", basato sulla fusione delle competenze del chirurgo con le potenzialità offerte dalle macchine. La Chirurgia Assistita al Calcolatore (CAS, Computer Assisted Surgery), è oggi un campo di ricerca molto vasto e molto fertile e sta introducendo vantaggi in molti approcci terapeutici chirurgici in particolare in quelli mininvasivi (MIS).
La storia della chirurgia mininvasiva è infatti fortemente caratterizzata da una costante integrazione di nuove tecnologie, sviluppate anche in contesti lontani dalla medicina, grazie ad importanti sforzi di collaborazione tra il mondo medico, scientifico e quello dell’industria.
La tecnica chirurgica ancora oggi maggiormente utilizzata in chirurgia addominale prevede l’esplorazione a cielo aperto. Sebbene infatti gli approcci minimamente invasivi, in particolare quelli laparoscopici, si stiano rapidamente diffondendo, rimangono comunque metodi scelti solo da personale
medico esperto e che ha sviluppato negli anni l’esperienza necessaria per affrontare operazioni di questo tipo.
Nonostante gli indubbi vantaggi delle tecniche chirurgiche mininvasive, che vanno dalla riduzione per il paziente del trauma legato all'accesso, alla possibilità di dimetterlo in minor tempo e, da non trascurare, di ridurre le spese per l’azienda ospedaliera, attualmente esistono ancora molti limiti a un’applicazione frequente, soprattutto nei casi in cui, essendo incerta la diagnosi, o, più semplicemente, meno standard l’anatomia, il chirurgo ha bisogno di un feedback visivo importante dato solo da approcci a cielo aperto. Il chirurgo che opera in chirurgia laparoscopica tradizionale deve avere capacità ed esperienza che gli permettano di superare notevoli ostacoli e fattori limitanti. Il chirurgo, infatti, opera osservando su un monitor le immagini bidimensionali restituite dalla videocamera endoscopica, spesso disallineate rispetto al suo punto di vista, in quanto la videocamera è guidata da un altro operatore in un’altra posizione, cosa che riduce notevolmente ergonomia e destrezza, poi la visione bidimensionale offerta dalla telecamera riduce la percezione della profondità, il campo di vista è notevolmente ridotto così come il workspace, e infine l’instabilità della telecamera affatica la vista del chirurgo. Per quanto riguarda la guida degli strumenti sono necessarie capacità ambidestre e grande stabilità della mano poiché il lungo braccio degli strumenti amplifica il tremore fisiologico delle mani, inoltre gli strumenti sono vincolati a passare attraverso l’incisione nel corpo del paziente, cosa che ne limita la motilità all’interno dello spazio di lavoro e questo limita la capacità stessa di movimentazione da parte del chirurgo, e inoltre non si può evitare l’effetto fulcro che inverte i movimenti: per spostare lo strumento a destra, deve muovere la mano a sinistra e viceversa, infine le sensazioni tattili sono quasi completamente annullate.
Queste capacità sono difficili da padroneggiare e, dunque, la chirurgia mininvasiva pretende non solo un lungo addestramento per i chirurghi e per i suoi assistenti, ma anche grande destrezza.
Si può supplire a queste problematiche munendo il chirurgo di strumenti che, quantomeno nella visualizzazione, lo aiutino a superare i limiti della MIS. Un anello di comunicazione aggiunto, tra i reparti di radiologia e chirurgia, porterebbe ad arricchire l’informazione trasmessa e renderla più fruibile esplicitando il contenuto tridimensionale delle immagini preoperatorie, ovvero fornendo rappresentazioni 3D delle strutture anatomiche: le immagini diagnostiche, opportunamente elaborate, potrebbero quindi essere utilizzate in ogni fase del percorso terapeutico del paziente, migliorando la qualità, l'accuratezza, nonché la prevedibilità dell'intervento, e aprendo le porte alla possibilità di sfruttare più spesso gli approcci mininvasivi.
Le immagini preoperatorie TC (tomografia computerizzata) o RM (risonanza magnetica), grazie all’aumento della velocità e del volume di scansione e all’introduzione dei nuovi mezzi di contrasto,
contengono informazioni volumetriche ricchissime, descrivendo l’intera anatomia interna del paziente con un altissimo livello di dettaglio. Tali informazioni, però, vengono in qualche modo “perse” nel passaggio dal reparto di radiologia a quello di chirurgia.
Il chirurgo legge la diagnosi e guarda le immagini a disposizione, che spesso sono di difficile interpretazione in particolare per figure non radiologiche, sulla base del referto fornito dal radiologo a corredo delle immagini, effettua una ricostruzione mentale tridimensionale che gli permette di immaginare, grazie alla sua esperienza, lo sviluppo tridimensionale dell’anatomia del paziente. Tale ricostruzione mentale, come già detto non è sempre immediata, spesso anche il radiologo stesso, in fase di diagnosi, deve spesso scorrere più volte le immagini bidimensionali e confrontarsi con altri colleghi per giungere a una diagnosi definitiva e condivisa. Lo sforzo di gestire solo mentalmente un grande volume di dati allo scopo di prevedere lo scenario che si dovrà affrontare poi in sala operatoria e prevedere efficacemente un intervento, sarebbe notevolmente ridotto dalla possibilità di fruire delle informazioni tridimensionali contenute negli esami diagnostici in modo più semplice e diretto.
In questo contesto si colloca una delle ricerche svolte nel laboratorio di ricerca EndoCAS, dove è stato portato avanti il lavoro di tesi. Situato nell’ospedale di Cisanello di Pisa, EndoCAS è un centro per la ricerca nel campo della chirurgia mininvasiva assistita al calcolatore e conduce in maniera integrata la ricerca in varie discipline per promuovere l’applicazione clinica dei risultati, formare il personale tecnico nell’utilizzo delle nuove tecnologie e sfruttare industrialmente i risultati conseguiti.
Tra i numerosi rami di ricerca si trova un progetto che poggia le sue fondamenta sullo sviluppo di un software di segmentazione di immagini diagnostiche TC per la ricostruzione di modelli tridimensionali degli organi interni.
Il progetto nasce proprio dall’esigenza dei chirurghi di disporre in maniera intuitiva della totalità delle informazioni relative all’anatomia del paziente anche nelle fasi di pianificazione ed esecuzione dell’intervento.
L’estrazione di modelli 3D, fornendo una rappresentazione di più alto livello delle immagini medicali, permette di minimizzare il processo di ricostruzione mentale attualmente richiesto nelle fasi di diagnosi ed intervento. Tali modelli, una volta integrati in sistemi di simulazione e di navigazione intraoperatoria, consentiranno ai chirurghi di sfruttare pienamente le potenzialità dei moderni strumenti di diagnosi e di poter arricchire le informazioni su cui basarsi per la preparazione ed esecuzione di un intervento.. Il progetto, seguendo un approccio “anatomy-driven”, ha sviluppato una suite applicativa che consente di estrarre modelli tridimensionali in breve tempo anche al personale medico “non addetto ai lavori”, ovvero senza pretendere una profonda conoscenza degli algoritmi e delle loro finezze matematiche e
computazionali, limite che finora ha impedito l’inserimento di sistemi di ricostruzione di questo tipo nella pratica clinica.
La realizzazione di questi modelli 3D si propone per numerose applicazioni: a partire da scopi didattici per il semplice studio dell’anatomia ma anche per il training dei futuri chirurghi e perché no, radiologi, a scopi diagnostici, dalla possibilità di un planning di un’operazione chirurgica fino al più pretenzioso e stimolante obiettivo di un navigatore chirurgico e di una suite di Mixed reality. Tale sistema di Mixed Reality (MR ) permette, acquisendo una scena reale, di arricchire tale scena di informazioni grafiche addizionali, sincronizzate e generate dal computer. Il risultato è che il chirurgo si trova a operare in un ambiente dove reale e virtuale coesistono, e l’anatomia tridimensionale del paziente, sovrapposta a quella reale aumenta la realtà percepita e l’eseguibilità delle operazioni in laparoscopia.
Il presente lavoro di tesi si colloca in questo ampio e ambizioso scenario e si concentra su uno studio di applicabilità clinica del software in questione in un distretto anatomico-chirurgico addominale: il pancreas, scelto in conseguenza a una fase di Assessment del problema e a una valutazione dei bisogni clinici.
Il lavoro si è orientato sullo sviluppo di un protocollo ottimo di segmentazione per migliorare la realizzazione di modelli anatomici del pancreas e delle relative patologie tumorali, difficili da diagnosticare, localizzare e caratterizzare, ai fini di un miglior planning chirurgico preoperatorio.
Per la realizzazione dei modelli tridimensionali è stato affrontato anche il problema della registrazione dei dataset diagnostici, ovvero si è cercato di risolvere le complicazioni causate dal disallineamento dei dati radiologici preoperatori per migliorare la segmentazione delle immagini e la successiva ricostruzione del modello tridimensionale.
Scopo della Tesi
Il lavoro svolto ha sviluppato un tool di allineamento dei dataset da segmentare, un protocollo di segmentazione e un codice di falsi colori che permette al radiologo di poter proporre al chirurgo insieme al referto scritto un modello tridimensionale del pancreas di facile e più intuitiva interpretazione. Tali modelli sono mirati alla realizzazione di una pianificazione chirurgica efficace e precisa che, trasmettendo la totalità delle informazioni contenute delle immagini diagnostiche, potrebbe, da un lato, decidere dell’operabilità di pazienti borderline, dall’altro aprire le porte a nuovi studi su approcci chirurgici laparoscopici laddove oggi, di solito, vengono esclusi.
Struttura della Tesi
Sezione Introduttiva
Capitolo 1 – Approccio di assessment clinico: Vengono riassunti brevemente i passi che si sono
seguiti per dare una giustificazione clinica della scelta di concentrare il lavoro sul distretto anatomico relativo al pancreas e alle sue patologie di tipo tumorale.
Capitolo 2 – Lo scenario radiologico/chirurgico: il Pancreas: Si illustra lo scenario anatomico,
radiologico e chirurgico alla base del lavoro. Dopo una breve descrizione anatomica del pancreas e della patologia a suo carico verso la quale si sono focalizzati maggiormente gli sforzi di ricerca, l’adenocarcinoma duttale, si introducono le problematiche relative alla diagnosi esaustiva della stessa con gli strumenti radiologici sfruttati, con particolare attenzione alle problematiche e ai limiti che si è cercato di superare con il lavoro di ricerca svolto.
Sezione Applicativa
Capitolo 3 – Materiali e Metodi: Si provvede a spiegare come si sia arrivati a selezionare lo strumento
software utilizzato nel lavoro, ITK-Snap/EndoCAS Segmentation Pipeline, e quali siano state le motivazioni di tale scelta. Vengono poi presentati i dati sui quali si è lavorato e i primi risultati ottenuti che hanno permesso di comprendere le strade su cui incanalare gli sforzi di ricerca e sviluppo.
Capitolo 4 – Registrazione: Dopo un’introduzione sulla formalizzazione dei problemi relativi alla
registrazione dei dataset, descritti nel capitolo precedente, si procede a descrivere come sono stati affrontati e con quali strumenti e risultati.
Capitolo 5 – Pancreas Segmentatio Pipeline: Si descrive come si è portato avanti lo studio e la
realizzazione di un protocollo ottimo per la realizzazione di modelli tridimensionali del pancreas.
Capitolo 6 – Un Codice di Falsi Colori per l’Arricchimento del Modello: Ci si concentra
sull’adenocarcinoma duttale e viene descritta la problematica della trasmissione delle informazioni “sfumate” della diagnosi delle infiltrazioni descrivendo come si sia arrivati a realizzare un ulteriore protocollo per la segmentazione (manuale) delle stesse e un codice colori per la trasmissione dell’informazione.
Conclusioni e Sviluppi Futuri: Si riportano le conclusioni del lavoro di tesi e gli obiettivi e le
