Nuove dimensioni in chirurgia | EurekAlert!

Quando si entra nella sala operatoria 3 del nuovo reparto operativo centrale del Pius Hospital Oldenburg, in Germania, la prima cosa che si nota è il grande murale in tre parti sulla parete di fondo: un paesaggio onirico di dune bianche, un mare tranquillo e un cielo azzurro . “Riteniamo che un ambiente attraente migliori significativamente l’atmosfera sul posto di lavoro”, afferma Dirk Weyhe, professore di chirurgia viscerale all’Università e direttore della Clinica universitaria di chirurgia viscerale presso il Pius Hospital Oldenburg. E questo, sottolinea, è indispensabile per la buona riuscita delle operazioni che qui quotidianamente si svolgono.

Tuttavia, l’atmosfera in sala operatoria è solo un aspetto di un piano globale per rendere più sicura la chirurgia degli organi interni per i pazienti. Weyhe e il suo team stanno integrando varie nuove tecnologie – dall’illuminazione intelligente e dai sistemi di assistenza vocale alla realtà aumentata e virtuale (AR e VR) – per raggiungere questo obiettivo. Diversi computer e cavi dati spessi come braccia sono incorporati nelle pareti della nuova sala operatoria, che dispone anche di ben sette monitor strategicamente posizionati e diverse telecamere, oltre a una potente connessione Wi-Fi. “Le complesse interazioni uomo-macchina saranno parte integrante delle sale operatorie del futuro”, spiega il chirurgo. Piuttosto che sostituire gli esseri umani, ritiene Weyhe, la tecnologia dovrebbe integrare e ottimizzare le loro capacità. Vede il potenziale per le nuove tecnologie sia nella pianificazione che nell’attuazione di procedure chirurgiche, nonché in numerose applicazioni nella formazione medica e nella formazione continua, inclusi corsi di anatomia che utilizzano cuffie VR e modelli di organi realistici per la pratica delle procedure chirurgiche.

Weyhe sta lavorando con i suoi colleghi Dr. Verena Uslar, Dr. Daniela Salzmann e Dr. Timur Cetin per trasformare questi piani in realtà. Il team di ricerca della Clinica Universitaria di Chirurgia Viscerale è partner in diversi progetti per lo sviluppo e la sperimentazione di nuove tecnologie. Inoltre, i ricercatori stanno esaminando l’impatto delle innovazioni sul carico di lavoro e sui livelli di stress nel personale di sala operatoria, una questione che è stata poco studiata. “L’argomento di ricerca generale nel nostro gruppo è la sicurezza del paziente”, sottolinea Weyhe. Perché nonostante tutte le competenze di alto livello, la coscienziosità ei continui progressi della medicina, le operazioni non vanno sempre secondo i piani, con conseguenze potenzialmente negative per il paziente. Ridurre la frequenza di tali eventi avversi è la missione dichiarata del dipartimento.

Una scarsa illuminazione porta a errori

Un altro fattore che ha ricevuto poca attenzione è l’illuminazione nelle sale operatorie. “È chiaro che una scarsa illuminazione del sito chirurgico può portare a errori, ma non ci sono quasi studi su questo”, afferma Weyhe. Un problema tipico è che medici e infermieri si spostano durante un’operazione, il che significa che le condizioni di illuminazione cambiano continuamente. Weyhe e il suo team sono coinvolti nel progetto SmartOT (Smart Lighting in Operating Theatres) guidato dall’Università di Brema, che sta lavorando per trovare soluzioni specializzate.

Con il finanziamento del Ministero federale tedesco dell’istruzione e della ricerca (BMBF), i partner del progetto stanno sviluppando congiuntamente un sistema di illuminazione che elimina le ombre in modo autonomo. Le lampade chirurgiche convenzionali vengono sostituite con fasci luminosi sul soffitto che possono essere controllati tramite gesti e comandi vocali. Per la messa a punto, le singole sezioni si accendono e si spengono automaticamente. “Ciò consente al sistema di funzionare in modo completamente sterile”, spiega Timur Cetin, che guida il sottoprogetto Oldenburg. Un prototipo del sistema, che è controllato da sensori, telecamere di profondità e intelligenza artificiale (AI), sarà utilizzato nella nuova sala operatoria del Pio Hospital per la formazione chirurgica, che dovrebbe aprire i battenti entro la fine dell’anno. “Ci è stato affidato il compito di creare un sistema che funzioni in condizioni di vita reale”, afferma Cetin. Il team di ricerca dell’Università di Oldenburg ha analizzato i requisiti per un sistema di illuminazione intelligente all’inizio del progetto e sta attualmente valutando l’usabilità dei prototipi.

Integrazione della realtà virtuale nella formazione chirurgica

Le innovazioni in fase di sviluppo nel progetto VIVATOP (Versatile Immersive Virtual and Augmented Tangible OP project), guidato da Daniela Salzmann, scienziata clinica dell’Università di Oldenburg, potrebbero apportare cambiamenti molto più radicali alla sala operatoria. I ricercatori di questo progetto, finanziato anche dal BMBF, stanno studiando come la realtà virtuale, la realtà aumentata e la stampa 3D possano essere integrate nella formazione chirurgica, nella pianificazione chirurgica e nelle procedure chirurgiche quotidiane negli ospedali. Il progetto è guidato dal professor Rainer Malaka del Digital Media Lab dell’Università di Brema. Sono coinvolti anche il gruppo di ricerca di Weyhe, nonché altri istituti di ricerca e partner dell’industria.

Weyhe usa un fegato stampato in 3D per dimostrare dove sta andando la tecnologia. Il modello è realizzato in plastica rigida trasparente. Un tumore, diverse metastasi e i confini tra i vari segmenti del fegato e dei vasi sanguigni sono evidenziati con colori diversi. “Ciò che rende speciale questa stampa è che la stampa è specifica per il paziente”, afferma Weyhe. Il modello è stato realizzato utilizzando i dati della tomografia computerizzata di un paziente. “Questo ti dà un senso tridimensionale della posizione di un tumore molto migliore di quello che ottieni da un’immagine TC bidimensionale”, spiega. Finora i medici hanno dovuto costruire nella loro mente un’immagine tridimensionale dell’organo, sulla base delle immagini in sezione fornite dalla tomografia computerizzata, cosa che richiede una grande esperienza, ad esempio quando si tratta di rilevare anomalie nel sangue percorsi navali. Nei modelli 3D prodotti dal Fraunhofer Institute for Digital Medicine MEVIS di Brema, le anomalie sono immediatamente evidenti. “È fondamentale essere consapevoli di tali variazioni vascolari nella pianificazione preoperatoria”, sottolinea Weyhe.

Un’altra tecnologia che i medici intendono utilizzare per pianificare le procedure chirurgiche sono le cuffie VR che immergono completamente l’utente in un mondo artificiale e tridimensionale. Uno degli obiettivi del progetto VIVATOP è consentire agli esperti in diverse località di riunirsi in uno spazio virtuale per visualizzare e discutere i dati dei pazienti. Le cuffie VR utilizzate per questo scopo sono dotate di display montati sulla testa e coprono completamente gli occhi. Mostrano una sala operatoria in cui gli utenti possono muoversi e azionare vari strumenti chirurgici virtuali tramite due telecomandi. La tecnologia VR può essere utilizzata ad esempio per simulare la rimozione chirurgica di parti di un fegato, nota come resezione epatica. Il modello 3D dell’organo nel mondo virtuale può essere ruotato e manipolato in tempo reale e utilizzato anche per una pianificazione dettagliata, ad esempio attraverso le singole fasi di una procedura chirurgica. Inoltre, lo strumento può essere utilizzato per determinare il diametro e il volume dei tumori o per rimuovere il tessuto epatico.

Ologrammi di organi rotanti a mano

Gli occhiali per realtà mista o AR possono essere utilizzati anche per visualizzare immagini 3D. La differenza è che con questi dispositivi l’ambiente normale rimane visibile. Con le cuffie HoloLens utilizzate nel progetto VIVATOP, chi le indossa può ruotare, spostare o ingrandire gli ologrammi dell’organo proiettati nel suo campo visivo semplicemente muovendo le mani. “Possiamo proiettare queste immagini sull’organo reale durante un’operazione per avere un’idea migliore della posizione di un tumore”, afferma Weyhe, che ha già testato più volte il metodo. Il software sviluppato per questo è già utilizzato con successo nella chirurgia epatica, aggiunge.

Il team del progetto sta attualmente lavorando per aggiungere sensori e altre tecnologie a modelli di organi realistici e specifici per il paziente creati utilizzando la stampa 3D in modo che possano essere trasferiti nel mondo virtuale. Gli utenti tengono e toccano i modelli morbidi con le mani mentre guardano l’organo attraverso l’auricolare VR allo stesso tempo. “Non ci avrei mai creduto, ma l’impressione tattile migliora notevolmente l’immersione mentale nel mondo virtuale”, afferma Weyhe.

Il team VIVATOP prevede di integrare le varie tecnologie in un programma di formazione basato sul web che, secondo Weyhe, potrebbe essere estremamente utile nella formazione dei futuri chirurghi. Il team prevede inoltre di utilizzare modelli di organi realistici come oggetti di addestramento per i residenti per praticare in seguito procedure chirurgiche come l’elettrocauterizzazione o la chirurgia ad alta frequenza.

Migliorare la comprensione delle relazioni anatomiche

Le tecnologie VR potrebbero anche essere utili per migliorare la comprensione delle relazioni anatomiche da parte degli studenti di medicina. Ciò è stato dimostrato in due studi condotti dal team utilizzando un “atlante anatomico” virtuale sviluppato presso l’Università di Brema. “L’atlante è costituito da una sala operatoria virtuale e da un corpo umano”, spiega Verena Uslar. Gli utenti possono sezionare il modello, ritagliare organi ed esporre i muscoli, il tutto in realtà virtuale.

I ricercatori hanno selezionato studenti di due classi del decimo anno senza precedenti conoscenze mediche come materie di prova. Un gruppo è stato incaricato di apprendere le relazioni anatomiche in modo convenzionale, utilizzando un libro di testo, mentre l’altro ha utilizzato l’atlante VR. “Nel primo studio era già evidente che il gruppo VR imparava più velocemente, faceva meno errori e si divertiva molto di più”, afferma Weyhe. Nel secondo studio, il team ha testato quanto gli studenti potessero ricordare ciò che avevano appreso quattro mesi prima, ancora con risultati significativamente migliori per il gruppo VR.

Alla luce di tutte queste innovazioni, Weyhe e il suo team ritengono che sia anche importante considerare l’impatto delle interazioni uomo-macchina sull’équipe chirurgica. Nel caso dell’illuminazione della sala operatoria controllata dall’intelligenza artificiale, i ricercatori si aspettano che la tecnologia riduca il carico di lavoro e lo stress. Per verificare se è davvero così, stanno utilizzando un questionario sviluppato dall’agenzia spaziale statunitense NASA noto come punteggio TLX o Task Load Index che misura fattori come lo stress mentale, lo stress temporale e i livelli di frustrazione.

Misurare lo stress con un EEG mobile

Il team sta inoltre impiegando metodi neurofisiologici, per i quali sta lavorando a stretto contatto con il Dipartimento di Neuropsicologia dell’Università guidato dal professor Stefan Debener e dal dottor Martin Bleichner. Il gruppo è tra i primi a utilizzare un dispositivo EEG (elettroencefalogramma) mobile per misurare le onde cerebrali nel lavoro quotidiano. “Insieme stiamo creando un sistema che può essere utilizzato per misurare lo stress aggiuntivo causato dalle tecnologie VR e AR”, afferma Weyhe. Gli studi che utilizzano il dispositivo EEG sono attualmente in fase di progettazione. Un altro progetto si concentrerà sull’inquinamento acustico in sala operatoria – “un argomento enorme”, come sottolinea Weyhe. Per lui è una felice coincidenza che i neuropsicologi di Oldenburg stiano già studiando l’esposizione all’inquinamento acustico nella vita quotidiana, il che significa che grazie al dispositivo EEG portatile saranno perfettamente attrezzati per esaminarne l’impatto anche in sala operatoria.

I ricercatori si sono resi conto per la prima volta che le nuove tecnologie possono aumentare lo stress nel personale della sala operatoria in uno studio che indaga su procedure minimamente invasive in cui le immagini della telecamera dall’interno del corpo vengono trasferite su uno schermo e convertite in immagini 3D tramite occhiali 3D. Hanno scoperto che la procedura provoca affaticamento degli occhi perché l’immagine 3D sembra essere dietro il monitor e gli occhi sono costretti ad adattarsi costantemente a diverse distanze, il che è molto stancante. “Il problema può essere facilmente risolto posizionando il monitor ad almeno due metri di distanza dal personale infermieristico”, spiega Weyhe.

Questa intuizione è stata immediatamente messa in pratica nella nuova sala operatoria del Pius Hospital, un altro elemento fondamentale nella ricerca per creare un ambiente di lavoro ottimale.

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