Sviluppo di un fantoccio MR compatibile per simulazione in realtà

Sviluppo di un fantoccio MR compatibile per simulazione in realtà virtuale in
chirurgia minimamente invasiva MRI-guidata
F Forestieri1,3, S Condino2 M Carbone2 , M Ferrari 2, N Martini3,
D Chiappino3, L Landini1,3, V Ferrari2, V Positano3
1
Dipartimento Ing Informazione, Università di Pisa 2Centro EndoCAS Università di Pisa,
3
Fondazione G. Monasterio CNR-Regione Toscana, Pisa
Introduzione: Attualmente le procedure di cateterizzazione cardiaca e interventistica minimamente invasiva
per chirurgia endovascolare sono svolte sotto guida fluoroscopica. Tale tecnica fornisce al chirurgo immagini
in tempo reale dell’anatomia del paziente e del percorso del catetere all’interno delle arterie ma offre solo
una scarsa visualizzazione dei tessuti molli e utilizzare richiede l’utilizzo di radiazioni ionizzanti (rate 45
mGy/min). L’esposizione può essere ridotta trasferendo parte della procedura interventistica sotto Risonanza
Magnetica (MR) in sale ibride di tipo XMR. L’utilizzo di sistemi di realtà virtuale potrebbe ridurre
ulteriormente l’esposizione consentendo di svolgere una parte ulteriore o la totalità delle procedure di
cateterizzazione con l’ausilio di un navigatore in realtà virtuale. L’obiettivo di questo studio è la
realizzazione di un fantoccio MR che consenta di testare l’applicabilità di un sistema di navigazione
all’interno di un ambiente XMR.
Metodi: E’ stato realizzato un fantoccio per risonanza magnetica anatomicamente realistico che comprende
un modello in ABS, estratto da immagini TAC post-contrastografiche, di un tratto di aorta addominale
inserito in un cilindro di plastica che simula l’addome del paziente. Il modello è stato realizzato attraverso
una stampante 3D con tecnologia Fused Deposition Modeling. Una volta riempito con una soluzione all’8%
di gadolinio (Gd-DTPA), il modello è stato posto all’interno del cilindro sul quale sono stati apposti marker
visibili in risonanza. L’acquisizione MR è stata eseguita con un tomografo 3T GE Excite utilizzando una
sequenza gradient echo ad alto contrasto FGRE-3D (TE=1.22 ms, TR=3.08 ms, FA=35°). Dalle immagini
MR è stato estratto, tramite un tool sviluppato all’interno del software open source ITK-SNAP 1.5, un
modello 3D dell’anatomia del vaso ed è stata effettuata la navigazione virtuale utilizzando un software
sviluppato ad hoc che fa uso di un localizzatore elettromagnetico (NDI Aurora®). Il sistema offre al chirurgo
la possibilità di guidare il catetere, sensorizzato con spire rilevabili dal localizzatore, in uno scenario virtuale.
La procedura di registrazione per la fusione tra informazione reale e virtuale è stata eseguita registrando le
posizioni dei marker acquisite col localizzatore con le corrispondenti posizioni individuate nel sistema di
riferimento della risonanza. Al fine di simulare un movimento respiratorio, è stata integrata, nel sistema di
navigazione, la possibilità di compensare un movimento arbitrario del fantoccio stesso. A tale scopo è stato
integrato un sensore a 6 gradi di libertà sul fantoccio in grado di aggiornare, tramite le informazioni circa le
coordinate del sensore, la matrice di registrazione tra l’anatomia reale e quella virtuale. Infine è stata
calcolata la precisione con cui le informazioni vengono fornite al chirurgo andando a quantificare gli errori
commessi dal navigatore nell’individuazione di tre punti, presi come riferimento,, posti sul modello: le
biforcazioni delle arterie renali destra e sinistra e la biforcazione della arteria mesenterica superiore.
Risultati: La navigazione all’interno del fantoccio ha fornito un buon riscontro nella scena virtuale. Il
movimento del catetere virtuale, all’interno del modello virtuale, è stato visualizzato in tempo reale. Il
sistema di navigazione è stato in grado di seguire in tempo reale anche movimenti imposti sul fantoccio
riproducendo lo stesso movimento sulla scena virtuale. Per quanto riguarda il calcolo degli errori sono state
effettuate prove ripetute, calcolando l’errore compiuto dal sistema posizionando il catetere virtuale sui tre
punti di riferimento. Si sono riscontrati errori dell’ordine di 8.61±1.44 mm sull’arteria renale destra,
11.01±1.23 mm sull’arteria renale sinistra, 9.07±0.52 sulla biforcazione della mesenterica.
Conclusioni: Il prototipo di fantoccio realizzato rappresenta un utile strumento per la simulazione di
procedure di chirurgia minimamente invasiva guidate da immagini di risonanza magnetica. La navigazione e
la compensazione del movimento sono risultati affetti da errori non ancora accettabili per la precisione
richiesta in interventi chirurgici endovascolari in ambiente XMR. Tali errori sono da attribuire a tre fattori:
problemi nella registrazione iniziale, difficoltà per l’operatore di individuare con precisione sempre lo stesso
punto di riferimento, problemi dovuti al fantoccio che non include guide e supporti per la riproducibilità nel
posizionamento del vaso al suo interno.