IT202000029786A1 - Apparato per la valutazione dell’esecuzione di tecniche chirurgiche e relativo metodo - Google Patents
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Description
Descrizione dell?invenzione industriale dal titolo:
?APPARATO PER LA VALUTAZIONE DELL?ESECUZIONE DI TECNICHE CHIRURGICHE E RELATIVO METODO?
La presente invenzione concerne un apparato e il relativo metodo che permettono la valutazione dell?esecuzione di tecniche manuali, particolarmente in campo medico e pi? in particolare in quello chirurgico. In particolare, la presente invenzione riguarda un metodo nel quale ? previsto di analizzare i movimenti delle mani di una persona al fine di valutarne l?abilit? e le capacit? nell?esecuzione di gesti e manovre tipiche nel mondo della chirurgia.
L?apprendimento delle abilit? chirurgiche avanzate ? un processo complesso, lungo e che richiede una costante supervisione di altri medici esperti oltre che un impegno costante da parte dei chirurghi in formazione.
Alcune tecniche basilari in ambito chirurgico, come ad esempio la realizzazione di suture, sono caratterizzate da una elevata ripetitivit? dei movimenti di mano e dita e richiedono parecchie sessioni di esercizio per essere affinate. Tuttavia, considerato il consistente impegno di tempo necessario, non ? sempre possibile una continua supervisione da parte di un esperto, la quale supervisione quindi sar? necessariamente limitata a specifici momenti.
In questo settore ? quindi sentita l?esigenza di disporre di un sistema che consenta a un chirurgo in formazione di analizzare e testare, in autonomia e senza la supervisione di un esperto, la propria tecnica in modo oggettivo al fine di valutarne l?evoluzione nel tempo.
Risulta pertanto evidente come una valutazione automatizzata delle tecniche di esecuzione in ambito chirurgico, con un feedback oggettivo del livello di capacit? raggiunto, possa essere utile sia per il medico in apprendimento, ad esempio per la valutazione dell?esecuzione di manovre chirurgiche di base, sia per un chirurgo esperto, come aggiornamento professionale o per valutare la capacit? di esecuzione di tecniche avanzate.
A tale scopo, sono stati realizzati diversi sistemi sia per allenare sia per valutare l?esecuzione di tecniche chirurgiche.
Alcuni sistemi noti comprendono dei simulatori basati sulla realt? virtuale, come ad esempio quelli descritti in CN 109658772 A, CN 105788390 A e CN 109841135 A.
Tali sistemi noti non sono comunque in grado di fornire una valutazione oggettiva delle tecniche di esecuzione e richiedono comunque l?assistenza e la supervisione di un esperto. Tali sistemi sono inoltre molto complessi e costosi.
Altri sistemi noti sfruttano le immagini riprese da telecamere per analizzare i movimenti delle mani e delle dita del soggetto in apprendimento. Sistemi di questo tipo sono descritti ad esempio in US 2014/0378995 A1, US 2018/0247560 A1, CN 104700676 A e CN 110021217 A.
Tali sistemi presentano tuttavia, anch?essi, dei limiti nell?uso pratico poich? le telecamere, sebbene pi? d?una e collocate in maniera da riprendere da pi? angolazioni il distretto corporeo su cui si opera, non sono comunque in grado di riprendere sempre in maniera completa le dita del soggetto in analisi.
Sul mercato sono noti anche svariati sistemi in grado di analizzare i movimenti delle mani e delle dita e di fornire una serie di parametri cinematici delle stesse. Tuttavia non sono noti al richiedente dei sistemi grado di fornire un dato numerico che rappresenti l?efficacia della tecnica chirurgica eseguita.
In questo contesto si inserisce la presente invenzione il cui scopo ? mettere a disposizione un metodo e il relativo apparato per la valutazione dell?esecuzione di tecniche chirurgiche che superi i limiti della tecnica nota.
Pi? in dettaglio ? scopo dell?invenzione proporre un metodo e un apparato che consentano di analizzare e registrare in modo accurato i movimenti delle mani e delle dita di un soggetto che esegue tecniche chirurgiche, in particolare delle dita pi? coinvolte nei gesti come pollice, indice e medio.
Scopo della presente invenzione ? inoltre di realizzare un apparato in grado di analizzare i dati cinematici registrati e di interpretarli per fornire una valutazione oggettiva del movimento.
In particolare, scopo della presente invenzione ? di realizzare un apparato in grado di valutare vari aspetti del gesto compiuto durante l?esecuzione di una tecnica chirurgica, come ad esempio il tremore delle mani, il flusso del movimento, la coordinazione tra la porzione del carpo-metacarpale della mano e le dita, la ripetibilit? di uno stesso movimento ed eventualmente anche la coordinazione fra le due mani.
Un altro scopo della presente invenzione ? di realizzare una banca dati nella quale sono memorizzate informazioni relative ai dati cinematici registrati da vari soggetti durante l?esecuzione.
Gli scopi citati sono raggiunti da un apparato per valutazione dell?esecuzione di tecniche chirurgiche eseguite da una persona che comprende:
- un supporto applicabile alla mano della persona che esegue la tecnica chirurgica;
- almeno quattro sensori inerziali IMU;
- almeno tre sensori di flessione; e
- un?unit? di controllo locale.
I suddetti componenti sono applicati a detto supporto in maniera che almeno un sensore inerziale e almeno un sensore di flessione siano applicati in corrispondenza almeno delle dita pollice, indice e medio e almeno un sensore inerziale sia applicato in corrispondenza della zona carpale o metacarpale.
Secondo l?invenzione, l?unit? di controllo locale ? connessa a detti sensori, inerziali e di flessione, ed ? configurata per alimentare i sensori e per ricevere i dati rilevati relativi ai movimenti della mano e delle dita.
L?apparato secondo l?invenzione comprende inoltre almeno un?unit? di elaborazione remota, ad esempio un server, eventualmente di tipo cloud.
Detta unit? di elaborazione remota comprende almeno un?unit? di memoria nella quale sono memorizzati dei dati cinematici di riferimento relativi a delle tecniche chirurgiche prestabilite. Pi? precisamente, detti dati di riferimento consistono in un set di dati cinematici relativi a una o pi? parti della mano i quali dati sono stati precedentemente acquisiti durante l?esecuzione di una determinata tecnica chirurgica da parte di un soggetto di riferimento, tipicamente un esperto al quale si riconosce una capacit? e una abilit? pi? che soddisfacente nell?eseguire tale tecnica chirurgica.
Secondo l?invenzione, l?unit? di elaborazione remota ? quindi configurata per comunicare con l?unit? di controllo locale, in maniera da ricevere e memorizzare almeno temporaneamente i dati cinematici rilevati dai sensori inerziali e di flessione, e per elaborare i dati acquisiti in maniera da fornire una valutazione numerica oggettiva della tecnica chirurgica in esame sulla base dei dati cinematici di riferimento.
In pratica, detta unit? di elaborazione ? configurata per operare un confronto fra i dati cinematici rilevati e quelli di riferimento per la specifica tecnica chirurgica eseguita, e fornire sulla base di essi, un risultato numerico che consente di valutare la capacit? della persona in osservazione di eseguire detta tecnica chirurgica.
Il vantaggio principale di un tale apparato ? quello di consentire a un soggetto in apprendimento di esercitarsi in completa autonomia. Osservando i risultati di ciascuna prova ? infatti possibile valutare i cambiamenti, tipicamente progressi e miglioramenti auspicati, senza che sia necessaria l?osservazione diretta da parte di un esperto.
Grazie alla combinazione dei sensori inerziali e dei sensori di flessione collocati sulle dita principalmente coinvolte nei gesti delle tecniche chirurgiche, la ?pinza? pollice indice e medio, oltre al sensore inerziale collocato sul dorso della mano, ? possibile acquisire un set di dati cinematici che opportunamente elaborati premettono di descrivere con un?ottima approssimazione i movimenti della mano della persona in osservazione.
Secondo un aspetto dell?invenzione, l?apparato sopra descritto pu? essere impiegato per registrare i movimenti di persone esperte durante l?esecuzione di tecniche chirurgiche, i quali dati sono poi memorizzati nell?unit? di memoria dell?unit? di elaborazione e utilizzati come dati cinematici di riferimento.
L?apparato secondo l?invenzione permette quindi di creare una banca dati dei dati cinematici di riferimento che ? impiegabile per eseguire la successiva valutazione di persone in apprendimento.
I dati di riferimento memorizzati nell?unit? di memoria possono riferirsi a vere e proprie tecniche chirurgie o a dei movimenti/gesti noti in letteratura e impiegati per addestrare i chirurghi in apprendimento. Esempi di esercizi base per tali movimenti sono ad esempio:
- ?round the clock?: l?ago viene fatto passare nelle crune di 6 aghi, posizionati in circolo, come un orologio;
- ?in out up down?: l?ago viene fatto passare attraverso fori in un materiale come il Mepitel?, con riferimenti colorati per indicare di eseguire il punto cucitura a diritto e a rovescio;
- ?all tied up?: effettuare un nodo attorno ad occhielli o uncini posizionati nel tessuto che simula la pelle, con i mignoli bloccati;
- ?suturing at angles?: sutura applicate a quattro incisioni effettuate su un supporto in lattice ad angolazioni differenti;
- ?stitch the star?: effettuare alcune suture ondulate ai bordi di una stella a 5 punte;
- ?anastomosi?: sutura per realizzare un?anastomosi. Sono previsti inoltre anche esercizi di difficolt? intermedia che comprendono differenti tecniche di sutura usate in tutte le branche della chirurgia ed esercitazioni di difficolt? superiore come ad esempio la sutura per realizzare un?anastomosi.
Al fine di fornire una valutazione automatica ed oggettiva della tecnica di esecuzione chirurgica, i succitati dati cinematici possono essere impiegati in un modello interpretativo che parametrizzi il movimento.
Secondo un aspetto preferito dell?invenzione, detta unit? di elaborazione remota ? configurata per valutare, sulla base dei dati cinematici registrati dai sensori inerziali e di flessione, uno o pi? dei seguenti aspetti durante l?esecuzione della tecnica chirurgica:
- il tremore;
- il flusso del movimento;
- il tempo complessivo impiegato;
- la coordinazione motoria tra la zona carpale o metacarpale e le dita;
- la capacit? di replicare un medesimo movimento pi? di una volta; e
- la capacit? di replicare un movimento predefinito. In una variante dove i sensori sono applicati a entrambe le mani della persona, ? possibile valutare anche la coordinazione motoria tra arto dominante e arto non dominante.
A tal fine, secondo l?invenzione, detta unit? di elaborazione remota ? configurata per calcolare, sulla base dei dati cinematici registrati dai sensori inerziali e di flessione, almeno uno dei seguenti parametri:
- Jerk;
- orientazione spaziale della mano e delle dita;
- angoli relativi fra le dita pollice, indice e medio; - spettro in frequenza del movimento delle dita e della mano; e
- angolo di flessione delle dita pollice, indice e medio.
Uno dei parametri considerati ? la fluidit? di movimento ottenuto tramite il calcolo del valore di jerk; tale parametro ? proporzionale alla derivata dell?accelerazione misurata dai sensori IMU posizionati sulle dita pollice, indice e medio e sulla mano (metacarpo) della persona in apprendimento, ossia:
In particolare, questo parametro consente di misurare le brusche variazioni di accelerazione che possono causare rapide variazioni nel movimento del porta-aghi. Preferibilmente, secondo la presente invenzione si tiene in considerazione il jerk normalizzato, ossia calcolato durante l?esecuzione di un movimento ?ciclico? normalizzato rispetto all?ampiezza del movimento stesso.
Un altro parametro considerato ? l?orientazione spaziale delle dita e della mano. La stima di questo parametro viene effettuata tramite il giroscopio incluso nei sensori inerziali IMU che forniscono informazioni sull?orientazione nello spazio.
Il ?rumore? dato dal bias della misura con sistemi IMU e quello dato da disturbi elettromagnetici, viene ridotto tramite tecniche di filtraggio, (ad esempio tramite il filtro di Kalman, il filtro di Madgwick o altri tipi di filtri FIR), implementate nell?unit? di controllo locale o, preferibilmente, nell?unit? di controllo remota.
Secondo l?invenzione, per descrivere l?assetto spaziale delle dita e della mano nello spazio, i dati cinematici rilevati sono impiegati per calcolare i quaternioni e gli angoli di Eulero.
Un altro parametro considerato riguarda gli angoli relativi tra le dita della ?pinza? pollice-indice-medio. In particolare ? di interesse valutare sia l?angolo di apertura massima, sia la variazione di questi angoli durante l?esecuzione.
Un altro parametro considerato ? l?analisi in frequenza del movimento cinematico, ossia il calcolo dello spettro delle frequenze tramite trasformata di Fourier. In questo modo ? individuata l?armonica ad ampiezza maggiore. Pi? i valori sono alti maggiore ? il ?tremore? insito nel movimento.
Un ulteriore parametro considerato riguarda gli angoli di flessione delle dita della ?pinza? pollice-indicemedio, sia dal punto di vista del valore assoluto sia delle variazioni durante l?esecuzione di un movimento.
Secondo un aspetto preferito dell?invenzione, i succitati parametri possono essere impiegati per ricavare un indice numerico complessivo rappresentativo della qualit? della tecnica chirurgica eseguita e monitorata. Nel calcolo di un tale indice i parametri sono in genere ?pesati? moltiplicandoli per delle costanti moltiplicative ricavate da una pre-analisi effettuata sui dati cinematici di un soggetto di riferimento (es. chirurgo esperto).
L?impiego di un indice complessivo consente di effettuare una comparazione immediata del movimento del soggetto in apprendimento con un movimento di riferimento, ossia eseguito da una persona esperta e di comprovata abilit?.
Tale indice complessivo consente quindi valutare in maniera diretta e senza l?ausilio di una supervisione diretta i miglioramenti e i progressi compiuti da un soggetto in apprendimento.
Secondo un esempio di applicazione della presente invenzione, ? possibile calcolare un indice complessivo o globale Ival, denominato ?indice di valutazione?, ricavabile dalla seguente formula:
dove:
- ?JerkN? ? il Jerk normalizzato;
- ?VarMaxAng? ? la variazione massima angoli dei sensori di flessione;
- ?ValMaxAng? ? il valore massimo registrato dell?angolo tra le dita;
- ?VelAngMax? ? la velocit? angolare massima della mano;
e
- ?AmpiezzaArmonicaPrincipale? ? il valore dell?ampiezza massima dello spettro in frequenza del movimento analizzato.
In funzione delle necessit? ? tuttavia possibile impiegare differenti combinazioni dei parametri al fine di ricavare un indice complessivo per raffrontare i dati acquisiti con i dati di riferimento.
Secondo un aspetto dell?invenzione, i dati registrati e memorizzati sono analizzati inoltre secondo lo schema di workflow tipico dei big data e del machine learning in maniera da far evolvere il modello interpretativo allo scopo di ottenere un sistema in grado di svolgere in modo completamente automatico le funzioni di tutore/controllore esperto di valutazione.
Pi? in dettaglio, il modello interpretativo ? basato su algoritmi di apprendimento automatico a partire da dati di riferimento che vengono registrati dall?analisi del movimento di soggetti (chirurghi) esperti. Esempio tali di algoritmi utilizzabili, sono quelli del c.d. ?apprendimento supervisionato?. Il modello matematico utilizza un insieme di dati che comprendono sia dati di input sia di output utilizzabili come valori di riferimento, ovvero come valori corrispondenti all?esecuzione corretta, o desiderata, del movimento.
I dati noti di riferimento vengono usati per ?addestrare? il modello matematico. Questi dati costituiscono gli ?esempi di addestramento?, e sono in forma vettoriale o matriciale.
Nel modello ? implementata una funzione ?obiettivo? che viene ottimizzata iterativamente sulla base dei dati di riferimento. Tale funzione costituisce il modello per prevedere l?output associato a nuovi input. Cos? un soggetto in apprendimento potr? ricevere una valutazione interpretativa dello stato di esecuzione della tecnica oltre ad una valutazione su come stia migliorando o comunque evolvendo tale tecnica. Gli algoritmi di apprendimento supervisionato consentono, di fatto, di definire il livello di ?somiglianza? del movimento tra il soggetto in apprendimento e il soggetto esperto, alla cui tecnica deve ambire il primo. ? ugualmente possibile per un soggetto che possiede gi? un?esperienza considerevole valutare comunque in modo oggettivo l?evoluzione della propria tecnica.
A titolo di esempio, una possibile funzione matematica utilizzabile per studiare la somiglianza dei movimenti apprendista/esperto ? la funzione di entropia approssimata, introdotta da Pincus e collaboratori. Tale funzione, applicata al modello in questione, consente di confrontare serie di dati relativi alle traiettorie cinematiche rilevate e fornire un valore corrispondente a quanto dette traiettorie, ossia le serie di dati numerici di cui sono composte, sono simili tra loro.
Tale modello interpretativo sar? in grado di fornire una valutazione oggettiva della performance manuale sulla base di parametri evolutivi di ?qualit?? del gesto chirurgico (quali ad esempio l?assenza di tremore, la fluidit?, l?assenza di movimenti inutili o ?parassiti? etc.), sia in termini assoluti sia comparativi. I parametri ricavati e interpretati come ?modelli di riferimento? saranno impiegati come modello per il confronto. La comparazione del gesto in esame con il modello di confronto attraverso i parametri interpretativi permetter? di stabilire quali aspetti del movimento del soggetto in esame sono pi? carenti rispetto al modello.
Gli esempi sinora riportati sono riferiti alla valutazione dei movimenti delle mani di una persona al fine di valutare l?abilit? e la capacit? di eseguire una tecnica chirurgica o comunque gesti tipici del settore.
L?apparato secondo l?invenzione pu? tuttavia essere impiegato anche in altri settori, nei quali ? possibile un confronto con modelli rappresentativi.
Alcuni esempi di tali ulteriori applicazioni sono nell?ambito della neuroriabilitazione e nel recupero dei disordini motori della mano, dove l'analisi utilizzando l?apparato dell?invenzione consentirebbe di confrontare i progressi di un paziente rispetto a una condizione di normalit?.
Un'altra possibile applicazione riguarda le attivit? creative, ad esempio nell?ambito dell?apprendimento dell?uso di strumenti musicali. In questo caso sarebbe possibile confrontare i dati cinematici dei gesti/movimenti di un apprendista con quelli dei movimenti eseguiti da un insegnante e presi come riferimento.
Secondo l?invenzione, il supporto pu? essere realizzato in svariati modi e forme.
In particolare, detto supporto ha una conformazione che permette ai sensori di rimanere stabilmente a contatto della zona interessata della mano (dita, metacarpo, ecc.), al fine di rilevare dati cinematici significativi e attenuare, per quanto possibile, errori di misura, rumore, ecc.
Detto supporto ? inoltre conformato in maniera da non interferire, o comunque in maniera trascurabile, con i movimenti della mano della persona che lo indossa. In questo modo i gesti e i movimenti della persona non sono alterati dalla presenza del supporto e dei sensori.
Secondo una possibile forma di realizzazione dell?invenzione, detto supporto comprende un guanto. Detto guanto pu? essere conformato per coprire del tutto o solo in parte la mano, ad esempio solo le zone interessate dall?applicazione dei sensori e/o dell?unit? di controllo locale. Detto supporto in forma di guanto pu? essere realizzato in vari materiali, come ad esempio un tessuto naturale, sintetico o misto, oppure in lattice, nitrile o neoprene sottile.
Secondo un'altra forma di realizzazione, detto supporto pu? comprendere degli elementi che possono essere applicati attorno alle dita ed eventualmente al dorso della mano, ad esempio degli elementi anulari come fasce o fascette. Secondo questa forma di realizzazione su detti elementi anulari ? applicato almeno uno dei componenti fra sensori inerziali, sensori di flessione e unit? di controllo locale.
Il supporto cos? realizzato permette di mantenere inalterata la sensibilit? del tatto in tutte le zone delle dita e/o del palmo non coperte da detti elementi.
Secondo un aspetto dell?invenzione, i sensori inerziali e di flessione, ed eventualmente detta unit? di controllo locale, possono essere avvolti da un involucro protettivo lavabile e/o sterilizzabile. Detto involucro ? quindi in genere impermeabile. Detto involucro pu? avvolgere i componenti singolarmente oppure tutto l?elemento di supporto.
L?apparato secondo questa variante pu? essere impiegato per eseguire tecniche chirurgiche direttamente su tessuti di esseri viventi come persone o animali. In tal caso il materiale dell?involucro ? preferibilmente realizzato con materiali compatibili come lattice, nitrile, vinile o similari.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione, i sensori inerziali IMU applicati alle dita sono collocati in corrispondenza delle falangi prossimali, sul lato dorsale della mano. Tale posizione permette di ottenere i dati cinematici pi? significativi e di ridurre al minimo i gradi di libert? fra lo strumento o parte afferrato fra le dita e il sensore IMU, ma allo stesso tempo consente alla persona di afferrare e manovrare liberamente gli strumenti necessari per l?esecuzione della tecnica chirurgica.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione, i sensori di flessione sono del tipo ?flex sensor?, ad esempio costituiti da strisce di elettropolimeri i quali variano la resistivit? al variare della deformazione/curvatura.
Tali sensori sono molto sottili e particolarmente flessibili; la loro applicazione sulle dita, preferibilmente sul lato dorsale della mano, non altera quindi la mobilit? delle dita della persona sui quali sono applicati.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione, l?unit? di controllo locale comprende un modulo di comunicazione senza fili. In questo modo i dati registrati dai sensori inerziali e di flessione sono inviati direttamente all?unit? di controllo remota.
La parte di apparato applicata alla mano non richiede quindi connessioni via filo durante l?utilizzo le quali potrebbero essere d?intralcio per i movimenti delle mani della persona in apprendimento.
Secondo un?altra variante, l?unit? di controllo locale ? fornita di una unit? di memoria locale nella quale possono essere registrati almeno temporaneamente i dati cinematici rilevati dai sensori. Secondo questa variante il trasferimento dei dati all?unit? di controllo remota pu? avvenire attraverso il modulo di comunicazione senza fili, se presente, oppure con un collegamento via cavo effettuato al termine della sessione di registrazione quando l?apparato non ? in uso.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione, l?apparato comprende due supporti forniti di rispettivi sensori inerziali e di flessione da applicare a entrambe le mani della persona. Come accennato sopra, l?apparato secondo questa variante, oltre a valutare anche i dai cinematici dell?arto non dominate, consente di valutare la coordinazione fra le due mani.
Secondo una variante dell?invenzione, l?apparato comprende inoltre almeno un dispositivo di ripresa connesso all?unit? di elaborazione remota. Detto apparato di ripresa ? configurato per riprendere immagini che includono almeno la mano che esegue la tecnica chirurgica. Le immagini riprese sono trasferite all?unit? di elaborazione remota la quale analizza dette immagini al fine di ricavare ulteriori dati cinematici relativi ai movimenti della mano e delle dita.
Gli scopi della presente invenzione sono inoltre raggiunti da un metodo per la valutazione dell?esecuzione di tecniche chirurgiche che comprende almeno le fasi sotto descritte.
Inizialmente, si predispone un apparato secondo una delle varianti sopra descritte. Di tale apparato, l?almeno un supporto ? applicato almeno alla mano dominante della persona in osservazione in maniera che almeno un sensore inerziale e almeno un sensore di flessione siano applicati ad una parte almeno delle dita pollice, indice e medio, e almeno un sensore inerziale sia applicato in corrispondenza della zona del dorso della mano.
Una volta preparato il dispositivo per l?acquisizione dei dati rilevati dai sensori, si fa eseguire alla persona una tecnica manuale, ad esempio del tipo chirurgica, che implica il movimento almeno della mano sulla quale sono applicati i sensori inerziali e di flessione e, per mezzo di detti sensori, si rilevano e si registrano i dati cinematici acquisiti.
Come accennato sopra, la registrazione dei dati pu? avvenire nell?unit? di controllo locale, a bordo del supporto, oppure direttamente nell?unit? di elaborazione remota, laddove quest?ultima sia continuamente connessa all?unit? locale durante la fase di rilevazione dei movimenti. Nel primo caso, una volta terminata l?acquisizione l?unit? di elaborazione locale ? connessa a quella remota per trasferire i dati cinematici registrati.
L?unit? di elaborazione remota ha il compito di processare i dati cinematici registrati per fornire in uscita una valutazione oggettiva della tecnica chirurgica eseguita sulla base di dati cinematici di riferimento gi? memorizzati nell?unit? di memoria.
Secondo un aspetto dell?invenzione, i dati cinematici registrati sono processati per valutare uno o pi? dei seguenti aspetti durante l?esecuzione della tecnica chirurgica:
- tremore;
- flusso del movimento;
- tempo complessivo impiegato;
- coordinazione motoria tra la zona carpale o metacarpale e le dita;
- capacit? di replicare un medesimo movimento pi? di una volta; e
- capacit? di replicare un movimento predefinito.
Secondo un aspetto dell?invenzione, il metodo prevede che i dati cinematici registrati siano processati nell?unit? di elaborazione remota per calcolare almeno uno dei seguenti parametri:
- Jerk;
- orientazione spaziale della mano e delle dita;
- angoli relativi fra le dita pollice, indice e medio; - spettro in frequenza del movimento delle dita e della mano;
- angolo di flessione delle dita pollice, indice e medio.
Secondo un aspetto dell?invenzione, come gi? descritto sopra, il metodo prevede di processare i dati cinematici registrati per calcolare uno o pi? indici complessivi che consentono di valutare in modo oggettivo e automatico l?esecuzione della tecnica chirurgica.
Detti indici complessivi sono tipicamente calcolati come sommatoria di due o pi? dei suddetti parametri moltiplicati ciascuno per un fattore correttivo che fornisce un determinato peso al parametro.
Tale indice complessivo ? quindi confrontabile con un indice di riferimento calcolato sulla base di dati cinematici di riferimento, tenendo in considerazione lo stesso gruppo di parametri.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione di un esempio di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di un apparato per la valutazione dell?esecuzione di tecniche chirurgiche, come illustrato nelle figure allegate in cui:
- la figura 1 ? una vista schematica dell?apparato secondo una forma di realizzazione dell?invenzione; - la figura 2 ? una vista dell?apparato di figura 1 durante una applicazione di utilizzo;
- la figura 3 ? una vista schematica dell?apparato secondo un?altra forma di realizzazione dell?invenzione; e
- la figura 4 ? una rappresentazione schematica del modello interpretativo dei dati cinematici raccolti. Con riferimento alla figura 1 allegata, con il numero 1 ? indicato nel complesso l?apparato secondo l?invenzione il quale comprende almeno un supporto 10 da applicare alla mano di una persona e almeno un?unit? di elaborazione remota indicata con 50.
Nell?esempio di figura 1 il supporto 10 comprende un guanto che copre almeno tutta la mano e il polso. Detto guanto ? preferibilmente realizzato in neoprene sottile, lavabile e sanificabile.
Secondo l?invenzione l?apparato comprende un set di quattro sensori inerziali IMU 20, 21, 22, 23 fissati al guanto 10 in maniera che, quando il guanto ? sulla mano, detti sensori rimangano rispettivamente sulla parte superiore delle dita pollice D1, indice D2 e medio D3 e sul dorso della mano.
Preferibilmente, i sensori 20, 21, 22 sono applicati sulle falangi prossimali delle dita, sul lato dorsale della mano. Tale posizione, infatti, consente di ottenere dati significativi rappresentativi del movimento delle dita senza tuttavia interferire, o solo in modo molto marginale, con la normale mobilit? della mano della persona.
Il sensore inerziale 23 ? invece preferibilmente collocato nella zona metacarpale o, pi? preferibilmente, nella zona carpale della mano.
L?apparato comprende inoltre almeno tre sensori di flessione 30, 31, 32 anch?essi fisati al guanto 10 in corrispondenza delle dita pollice D1, indice D2 e medio D3, sul lato dorsale della mano. Detti sensori di flessione 30-32 sono preferibilmente del tipo ?flex sensor?. Pi? precisamente detti sensori comprendono un supporto in forma di striscia piatta e sottile, realizzata in un materiale flessibile, al quale ? applicato uno strato di materiale conduttore elettrico; quest?ultimo, a seguito della flessione che subisce con il movimento delle dita, varia la propria resistenza elettrica.
Preferibilmente, detti sensori di flessione 30-32 hanno una lunghezza tale da sovrapporsi sostanzialmente a tutta la lunghezza del dito. In questo modo, combinando i dati cinematici rilevati dal sensore inerziale con quelli del sensore di flessione di ciascun dito, ? possibile descrivere in modo piuttosto accurato la posizione spaziale delle dita.
Secondo l?invenzione, l?apparato comprende un?unit? di controllo locale 40, preferibilmente anch?essa fissata al guanto 10 in una zona dove non interferisce con i movimenti della mano. Nell?esempio illustrato, l?unit? di controllo locale ? posta appena arretata rispetto alla zona carpale della mano, quindi, ad esempio, sul polso.
L?unit? di controllo locale 40 comprende in genere almeno un microcontrollore, una batteria e, preferibilmente, anche un modulo di comunicazione senza fili, ad esempio di tipo Bluetooth, Wi-Fi o di altro di tipo noto. L?unit? di controllo pu? inoltre comprendere una porta di connessione, ad esempio di tipo micro USB, USB Type-C o equivalenti, per il collegamento di un cavo dati e/o di ricarica per ricaricare la batteria.
L?unit? di controllo locale 40 ? connessa ai sensori inerziali IMU e ai sensori di flessione mediante fili 41 che consentono sia di alimentare detti sensori con la batteria integrata nell?unit? di controllo, sia di trasmettere a quest?ultima i rispettivi dati cinematici rilevati.
Come accennato sopra, il supporto in forma di guanto pu? comprendere un rivestimento, non illustrato, che ricopre tutto il guanto o eventualmente solo le zone dove sono presenti i sensori e/o l?unit? di controllo.
Detto rivestimento ha il compito principale di proteggere i componenti dell?apparato da urti, abrasioni o simili durante l?utilizzo. Secondo una possibile variante dell?invenzione, detto rivestimento ? realizzato in un materiale impermeabile e, preferibilmente, anche sterilizzabile e compatibile con l?utilizzo dell?apparato a contatto con tessuti di esseri viventi, come ad esempio lattice, vinile, nitrile, neoprene o equivalenti.
Nelle figure 1 ? illustrata in modo schematico anche un?unit? di elaborazione remota indicata con 50. Detta unit? di elaborazione remota comprende almeno un processore 51, una unit? di memoria 52 e un modulo di comunicazione 53, preferibilmente di tipo senza fili, per comunicare con l?unit? di controllo locale 40. Detta unit? di elaborazione remota ? preferibilmente equipaggiata con mezzi di connessione alla rete internet in maniera da poter scambiare dati con uno o pi? server, eventualmente di tipo cloud.
L?unit? di elaborazione remota 50 pu? comprendere ad esempio un computer oppure un dispositivo portatile come uno smartphone, un tablet o similari.
Nelle figure 2 e 3 ? illustrato l?apparato durante l?esecuzione di una tecnica chirurgica. Si noti che per semplificazione, nelle figure 2 e 3 non sono mostrati i componenti applicati al dorso della mano (sensore inerziale 23 e unit? di controllo locale 40).
Secondo una particolare variante di figura 3, l?apparato comprende inoltre almeno un dispositivo di ripresa 60, come ad esempio una telecamera o simili.
Detto dispositivo di ripresa 60 ? configurato per inquadrare la mano che esegue la tecnica chirurgica al fine di integrare i dati cinematici rilevati dai sensori inerziali e di flessione con immagini riprese durante l?esecuzione dei movimenti.
Il dispositivo di ripresa 60 ? in genere connesso all?unit? di elaborazione remota nella cui unit? di memoria 52 possono essere salvate le immagini riprese. Secondo tale variante, l?unit? di elaborazione remota 50 comprende un programma di analisi delle immagini configurato per analizzare le immagini riprese al fine di ricavare dati aggiunti relativi alla cinematica della mano e delle dita. Nella figura 4 ? illustrato in modo schematico un esempio di modello interpretativo dei dati cinematici raccolti.
L?esempio si riferisce ad un tipico workflow di machine learning, comprendente i nodi di ?partitioning?, ?learner?, ?predictor? e ?scorer?.
Dato un set dati il ?partioning? (o partizionamento) ? la suddivisione a priori di detti dati, durante la definizione del modello di apprendimento, tra un primo gruppo da utilizzare per realizzare il modello, ovvero usati come input (training set) e un restante gruppo (test set) utilizzato come test per valutare la bont? del modello.
Il training set rappresenta il gruppo di dati di ingresso del modulo denominato ?learner? che applica l?algoritmo iterativo di apprendimento e che restituisce in uscita il modello appreso.
Il modulo ?predictor? applica il modello ai dati del ?test set? fornendo informazioni sul livello di efficacia del sistema di analisi implementato.
Il modulo ?scorer? calcola il livello medio di errore commesso dal sistema di analisi.
Un esempio di tale modello ? implementato nel programma ?Knime? della omonima azienda KNIME AG.
Altri modelli di machine learning possono tuttavia essere implementati allo scopo.
L'invenzione ? stata descritta a scopo illustrativo e non limitativo, secondo alcune forme preferite di attuazione. Il tecnico esperto del settore potr? trovare numerose altre forme di attuazione e varianti, tutte ricadenti nell'ambito di protezione delle rivendicazioni che seguono.
Claims (12)
1. Un apparato (1) per la valutazione dell?esecuzione di tecniche chirurgiche eseguite da una persona, detto apparato comprendendo:
- un supporto (10) applicabile alla mano (M) della persona che esegue la tecnica chirurgica;
- almeno quattro sensori inerziali (20, 21, 22, 23);
- almeno tre sensori di flessione (30, 31, 32); e
- un?unit? di controllo locale (40);
nel quale detti sensori inerziali (20, 21, 22, 23), detti sensori di flessione (30, 31, 32) e detta unit? di controllo locale (40) sono montati su detto supporto (10), nel quale detto supporto (10) ? conformato in maniera che almeno un sensore inerziale (20, 21, 22) e almeno un sensore di flessione (30, 31, 32) siano applicati in corrispondenza di una delle falangi almeno delle dita pollice (D1), indice (D2) e medio (D3), e almeno un sensore inerziale (23) sia applicato in corrispondenza della zona carpale o metacarpale della mano (M), preferibilmente sul dorso,
nel quale l?unit? di controllo locale (40) ? connessa a detti sensori inerziali e di flessione, ed ? configurata per alimentare i sensori e per ricevere i dati cinematici rilevati relativi ai movimenti della mano (M) e delle dita (D1, D2, D3),
detto apparato (1) comprendendo inoltre un?unit? di elaborazione remota (50) provvista di una unit? di memoria (52) nella quale sono memorizzati dati cinematici di riferimento relativi a delle tecniche chirurgiche prestabilite, detta unit? di elaborazione remota (50) essendo configurata per comunicare con l?unit? di controllo locale (40) per ricevere e processare i dati cinematici rilevati dai sensori inerziali e di flessione e per fornire in uscita una valutazione oggettiva della tecnica chirurgica eseguita sulla base dei dati cinematici di riferimento.
2. L?apparato (1) secondo la rivendicazione 1, nel quale detto supporto (10) ? in forma di guanto oppure comprende un set di elementi anulari o a fascia atti a cingere le dita, ed eventualmente anche la zona carpale, detti elementi anulari portando almeno uno dei componenti fra sensori inerziali (20, 21, 22, 23), sensori di flessione (30, 31 32) e unit? di controllo locale (40).
3. L?apparato (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente un involucro protettivo che riveste almeno detti sensori inerziali (20, 21, 22, 23) e di flessione (30, 3132) ed eventualmente detta unit? di controllo (40).
4. L?apparato (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, nel quale almeno tre dei sensori inerziali (20, 21, 22) sono collocati in corrispondenza delle falangi prossimali, sulla parte superiore.
5. L?apparato (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, nel quale l?unit? di controllo locale (40) comprende un modulo di comunicazione senza fili.
6. L?apparato (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente un dispositivo di ripresa (60), collegato all?unit? di elaborazione remota (50), configurato per riprendere immagini che includono almeno la mano che esegue la tecnica chirurgica.
7. L?apparato (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, nel quale detta unit? di elaborazione remota (50) ? configurata per valutare, sulla base dei dati cinematici registrati dai sensori inerziali e di flessione, uno o pi? dei seguenti aspetti durante l?esecuzione della tecnica chirurgica:
- il tremore;
- il flusso del movimento;
- il tempo complessivo impiegato;
- la coordinazione motoria tra la zona carpale o metacarpale e le dita
- la capacit? di replicare un medesimo movimento pi? di una volta; e
- la capacit? di replicare un movimento predefinito.
8. L?apparato (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, nel quale detta unit? di elaborazione remota (50) ? configurata per calcolare, sulla base dei dati cinematici registrati dai sensori inerziali e di flessione, almeno uno dei seguenti parametri:
- Jerk;
- orientazione spaziale della mano e delle dita;
- angoli relativi fra le dita pollice, indice e medio; - spettro in frequenza del movimento delle dita e della mano; e
- angolo di flessione delle dita pollice, indice e medio.
9. Metodo per la valutazione dell?esecuzione di tecniche chirurgiche eseguite da una persona comprendente le seguenti fasi:
- equipaggiare una persona con un apparato (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in maniera che almeno un sensore inerziale (20, 21, 22) e almeno un sensore di flessione (30, 31, 32) siano applicati in corrispondenza di una delle falangi almeno delle dita pollice (D1), indice (D2) e medio (D3), e almeno un sensore inerziale (23) sia applicato in corrispondenza della zona carpale o metacarpale della mano (M);
- far eseguire alla persona una tecnica chirurgica che implica il movimento almeno della mano (M) sulla quale sono applicati i sensori inerziali e di flessione; - rilevare e registrare, i dati cinematici dei movimenti della mano e delle dita (D1, D2, D3) con detti sensori inerziali e di flessione; e
- processare nell?unit? di elaborazione remota (50) i dati cinematici rilevati dai sensori inerziali e di flessione per fornire in uscita una valutazione oggettiva della tecnica chirurgica eseguita sulla base di dati cinematici di riferimento.
10. Il metodo secondo la rivendicazione 9, nel quale, nell?unit? di elaborazione remota (50), i dati cinematici registrati sono processati per valutare uno o pi? dei seguenti aspetti durante l?esecuzione della tecnica chirurgica:
- tremore;
- flusso del movimento;
- tempo complessivo impiegato;
- coordinazione motoria tra la zona carpale o metacarpale e le dita;
- capacit? di replicare un medesimo movimento pi? di una volta; e
- capacit? di replicare un movimento predefinito.
11. Il metodo secondo la rivendicazione 9 o 10, nel quale, nell?unit? di elaborazione remota, i dati cinematici registrati sono processati per calcolare almeno uno dei seguenti parametri:
- Jerk;
- orientazione spaziale della mano e delle dita;
- angoli relativi fra le dita pollice, indice e medio; - spettro in frequenza del movimento delle dita e della mano; e
- angolo di flessione delle dita pollice, indice e medio.
12. Il metodo secondo la rivendicazione 11, nel quale, nell?unit? di elaborazione remota (50), i dati cinematici registrati sono processati per fornire un indice di valutazione oggettivo della tecnica chirurgica calcolato come sommatoria di due o pi? dei suddetti parametri moltiplicati ciascuno per un fattore correttivo, e nel quale detto indice di valutazione ? confrontato con un indice di valutazione di riferimento calcolati sulla base di dati cinematici di riferimento.
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