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Conclusioni
Per la realizzazione di un primo sistema di imaging stereoscopico sono state utilizzate due videocamere commerciali, con sensore CMOS, 640×480 (Misumi, Taiwan). Queste ultime sono state scelte per le loro piccole dimensioni (8mm×8mm) e perché presentavano già integrato il sistema di acquisizione e trasmissione dati in formato televisivo, consentendo così il collegamento diretto allo schermo autostereoscopico. Grazie ad un modello matematico di dimensionamento, basato sulle caratteristiche ottiche delle videocamere, è stata ricavata la distanza ottimale tra i due centri per adempiere alle specifiche imposte. Per il sistema di illuminazione sono stati scelti LED bianchi ad alta efficienza, per diminuirne l’ingombro. I dispositivi di visione stereoscopica richiedono una illuminazione il più uniforme possibile in quanto ogni differenza di luminosità rilevata nei campi di vista delle due videocamere si traduce in un fastidio per l’osservatore che ne osserva la proiezione sullo schermo autostereoscopico. Dato che non era possibile ricavare dati riguardanti l’illuminazione ottimale né dalla letteratura né da esperienze precedenti, si è resa necessaria l’implementazione di un modello matematico della distribuzione della luce nella scena.
Data la natura del problema, quest’ultimo è stato implemento applicando le regole dell’ottica geometrica e trascurando la natura ondulatoria della luce, consentendo così di applicare il principio di sovrapposizione degli effetti alle varie fonti di luce inserite, considerando la sola attenuazione della luce come fenomeno fisico, e infine modellando la direttività di diffusione del LED con una sigmoide approssimata numericamente. Il modello implementato consente di osservare la distribuzione dell’intensità luminosa ottenuta variando la distribuzione ed il numero dei LED. La scelta di utilizzare 4 LED posti in configurazione lineare sopra e sotto le videocamere è giustificata proprio dai risultati ottenuti dal modello teorico. La scheda elettronica contenente i LED e i due driver per il pilotaggio della corrente è stata disegnata e realizzata. Le videocamere e la scheda elettronica sono poi stati inseriti in un supporto robotico (25mm di diametro), realizzato presso il laboratorio CRIM della Scuola Superiore Sant’Anna, capace di garantire, grazie ad un meccanismo magnetico, 2 gradi di libertà attivi per variare l’orizzonte e l’inclinazione delle videocamere e tre gradi di libertà passivi per il posizionamento del dispositivo lungo la parete
159 La piattaforma, comprensiva anche del display autostereoscopico, è stata testata, su simulatore, da un gruppo di 16 chirurghi. I test comprendevano una serie di 5 task a complessità motoria crescente, dei quali è stato registrato sia il tempo richiesto che il numero di errori effettuati. Gli esercizi comprendevano: il piazzamento di 10 anelli attorno ad altrettanti spilli con testa a sfera;
l’introduzione di 8 aghi in altrettanti cerchi, il taglio a freddo di una superficie di silicone entro dei binari disegnati e l’esecuzione di una sutura a singolo punto. Per poter comparare le prestazioni dello schermo autostereoscopico, gli stessi compiti sono stati fatti eseguire utilizzando anche altre due diverse interfacce di visualizzazione: uno schermo convenzionale bidimensionale ed un caschetto con visore tridimensionale (simile quindi all’interfaccia presente nel sistema da Vinci).
Figura 2. Piattaforma completa per i test con il simulatore.
Task Tempo Medio schermo autostereoscopico
Tempo medio visore binoculare
Tempo medio visione 2D
Confronto schermo-visore
p
Confronto schermo-2D
p
Confronto visore-2D
p
Anelli 128 sec. 128 sec. 128 sec. 0.8197 0.0011 0.0008
Aghi 119 sec. 107 sec. 114 sec. 0.5019 0.8019 0.8019
Taglio 21 sec. 27 sec. 25 sec. 0.0469 0.7847 0.0626
Sutura 105 sec. 102 sec. 124 sec. 0.9773 0.1157 0.1269
Tabella riassuntiva dei risultati dei test di validazione.
In tabella sono riassunti i risultati ottenuti. In particolare vengono riportati i tempi medi calcolati per ogni task ed il risultato dei confronti (p in tabella) tra le coppie di sistemi di visione, eseguiti applicando test dell’ANOVA. Per definizione, la differenza tra le medie è statisticamente significativa tanto più il valore di p tende a zero e non significativa per p tendente a 1.
I risultati ottenuti dimostrano come la percezione della profondità e la migliore discriminazione del moto relativo e della collisione tra oggetti, garantite dalla visione tridimensionale, migliorino le performance, in termini di efficienza e precisione, sia di esercizi di basso livello motorio, come il task degli anelli, che di operazioni complesse, come la sutura. In particolare, dato che le differenze riscontrate non risultano statisticamente significative (valori alti di p), lo schermo autostereoscopico ha dimostrato una efficacia equivalente al visore binoculare che, come detto, ci consentiva di compararlo ad un sistema tecnicamente identico all’attuale gold standard per le piattaforme robotiche chirurgiche, ovvero al sistema da Vinci. Inoltre, la prova del taglio a freddo, un movimento non eseguito convenzionalmente in laparoscopia e quindi nuovo per tutti i partecipanti, ha dimostrato come lo schermo autostereoscopico presenti una curva di apprendimento leggermente inferiore rispetto al visore binoculare, in quanto il minore tempo medio impiegato per l’esecuzione dell’esercizio risulta statisticamente significativo. Tuttavia, la capacità di apprezzare l’effetto autostereoscopico senza fastidio o fatica è fortemente dipendente dalle capacità innate dell’osservatore e ciò comporta dei tempi di addestramento variabili. Al contrario, il visore
160 binoculare si caratterizza per la sua immediatezza e naturalezza. Naturalmente, le conclusioni qui riportate non possono ancora essere generalizzate. Per una analisi statistica completa sarà difatti necessario eseguire ulteriori test su un numero molto più elevato di candidati.
I giudizi riportati dai chirurghi sottoposti al test hanno dimostrato, inoltre, che le videocamere Misumi, per quanto idonee per la realizzazione di un primo prototipo, sono però inadatte da un punto di vista operativo a causa della loro ridotta risoluzione. Un immediato passo di ottimizzazione del sistema ha quindi richiesto di cambiare tipologia di videocamere, per migliorare sia la risoluzione che la qualità (soprattutto in termini di filtraggio del rumore) delle immagini visualizzate. Inoltre, le dimensioni del dispositivo di acquisizione sono state ridotte a meno di 12 mm per consentirne l’accesso direttamente in uno dei lumi dei trocar per SPL.
Si è così deciso di procedere con la progettazione di un nuovo dispositivo che integra due videocamere VW6754, prodotte da STMicroelettronics, con risoluzione di 2 megapixel, dimensioni ridotte (5mm×5mm) e la possibilità di programmare direttamente la catena di elaborazione delle immagini. Il dimensionamento della configurazione delle videocamere e del sistema di illuminazione è stato effettuato applicando i medesimi modelli utilizzati per il primo prototipo. Per il disegno della scheda elettronica sono state seguite le linee guida riportate dal produttore, soprattutto per quanto riguarda il generatore di clock, i collegamenti per la trasmissione dei dati, le interfacce tra i segnali di massa e le capacità impiegate per la riduzione del rumore. Inoltre, i collegamenti in uscita sono stati disegnati in modo tale da potersi interfacciare con la scheda di sviluppo fornita dal produttore assieme alle videocamere, che però consente di acquisire e di visualizzare le immagini solamente da una videocamera per volta. Il circuito stampato è stato realizzato ed assemblato. I test con la scheda di sviluppo a disposizione hanno mostrato il corretto funzionamento delle singole videocamere.
Sviluppi futuri del dispositivo prevedono la realizzazione, sia da un punto di vista hardware che software, di una scheda di sviluppo che consenta di acquisire e visualizzare contemporaneamente i frame provenienti da entrambe le videocamere. Sul sistema completo verranno eseguite delle misure di sincronia delle immagini visualizzate ed individuate le soluzioni più opportune per ottenere il minimo ritardo possibile tra i due flussi di dati. Infine, il sistema verrà integrato in un dispositivo robotico, simile a quello realizzato per il primo prototipo, e testato nuovamente su simulatore per un’ulteriore validazione.
