Realtà aumentata in ortopedia

La rivoluzione digitale è arrivata da tempo in medicina. Da qualche tempo, nella chirurgia ortopedica si utilizzano anche diverse procedure assistite dal computer. Una delle tecniche emergenti è la realtà aumentata, che risale al 1968. La realtà aumentata è caratterizzata da un’estensione della percezione della realtà assistita dal computer, il che significa specificamente che l’ambiente reale viene ampliato per l’utente con informazioni virtuali.

La rivoluzione digitale è arrivata da tempo in medicina. Da qualche tempo, nella chirurgia ortopedica si utilizzano anche diverse procedure assistite dal computer. Una di queste tecniche emergenti è la realtà aumentata, che risale al 1968, quando Sutherland la descrisse per la prima volta [1]. La realtà aumentata è caratterizzata da un’estensione della percezione della realtà assistita dal computer, il che significa specificamente che l’ambiente reale viene ampliato per l’utente con informazioni virtuali. Questo contrasta con la realtà virtuale, in cui l’utente è esposto a un ambiente completamente virtuale. Queste tecnologie vengono applicate principalmente tramite un sistema basato su monitor o utilizzando i cosiddetti occhiali di dati. Questi ultimi stanno diventando sempre più popolari, giustificati dal fatto che l’uso di occhiali di dati offre un alto grado di flessibilità, l’utente può muoversi liberamente nella stanza e mantiene sempre le informazioni virtuali in vista. A ciò ha contribuito anche la crescente commercializzazione di occhiali per dati disponibili, come Google Glass (Google Inc., Mountain View, California, USA) o Microsoft HoloLens (Microsoft, Redmond, WA) (Fig. 1).

Nella chirurgia ortopedica, la pianificazione e l’esecuzione degli interventi chirurgici si basano spesso su immagini radiografiche o TC pre-operatorie o intra-operatorie. Le singole fasi del rispettivo intervento, come il posizionamento di un impianto o l’esecuzione di un’osteotomia, sono guidate da queste immagini. A causa della natura spesso meccanica delle singole fasi di un intervento ortopedico, la realtà aumentata sembra di conseguenza predestinata all’uso come ausilio alla navigazione in ortopedia. Questo è probabilmente un motivo importante per cui si può osservare un interesse crescente a livello globale per questa tecnologia in ortopedia [2]. Oltre al vantaggio degli ausili alla navigazione intraoperatoria, la realtà aumentata in ortopedia offre anche altre possibili applicazioni, come l’uso nella formazione chirurgica e nell’addestramento di interventi specifici.

Diversi studi hanno dimostrato che l’uso della realtà aumentata nella chirurgia ortopedica ha il potenziale di abbreviare i tempi delle procedure, ridurre l’esposizione alle radiazioni per il paziente e il chirurgo ortopedico curante e aumentare la precisione delle rispettive procedure eseguite. Di seguito una panoramica delle principali aree di applicazione della realtà aumentata nella chirurgia ortopedica fino ad oggi.

Navigazione per il posizionamento di strumenti e impianti

Durante un intervento ortopedico, il chirurgo ortopedico deve spesso affidarsi alla sua visione tridimensionale per posizionare o inserire correttamente gli strumenti e gli impianti necessari. L’uso della fluoroscopia intraoperatoria (fluoroscopia) fornisce solo immagini bidimensionali e il chirurgo ortopedico curante deve affrontare la sfida mentale di trasferire le immagini bidimensionali all’effettiva anatomia tridimensionale del paziente. In questi casi, la realtà aumentata offre il potenziale per ridurre le variabili dipendenti dal chirurgo per i risultati post-operatori. Concretamente, ciò può avvenire, ad esempio, quando si utilizzano gli occhiali dati, sovrapponendo la pianificazione preoperatoria al campo visivo del chirurgo o sovrapponendo il corretto posizionamento dello strumento o dell’impianto mediante un “ologramma di sovrapposizione”. In uno studio di Sawbone, ad esempio, è stato dimostrato che utilizzando la realtà aumentata per mezzo di occhiali di dati, attraverso i quali l’anatomia veniva sovrapposta al situs intraoperatorio, l’accuratezza dell’inserimento della vite peduncolare aumenta e la perforazione del peduncolo si verifica meno frequentemente [3]. Ciò sembra particolarmente importante a causa della vicinanza anatomica alle radici nervose e al midollo spinale in questa difficile fase chirurgica, che viene utilizzata molto spesso nella chirurgia spinale nel contesto della spondilodesi.

Un’altra modalità terapeutica che viene utilizzata frequentemente nel trattamento dei pazienti con malattie della colonna vertebrale è rappresentata dalle cosiddette infiltrazioni dell’articolazione facciale. Tali infiltrazioni vengono solitamente eseguite in fluoroscopia o in navigazione con la tomografia computerizzata. In questo caso, è stato anche dimostrato in uno studio Sawbone che le infiltrazioni dell’articolazione facciale lombare possono essere eseguite con successo utilizzando la realtà aumentata, senza il rischio di sbagliare il posizionamento dell’ago e con un tempo di intervento significativamente ridotto rispetto alle infiltrazioni con navigazione tomografica computerizzata [4]. Oltre all’uso della realtà aumentata nella chirurgia spinale per il posizionamento di strumenti o impianti, questa tecnologia viene già utilizzata anche in altre sottospecialità ortopediche. Ad esempio, uno studio su un fantasma ha dimostrato che l’accuratezza del posizionamento del cotile durante l’impianto di una protesi totale dell’anca, una delle procedure più comuni nella chirurgia ortopedica, potrebbe essere migliorata utilizzando la realtà aumentata [5]. Un’altra procedura comune nella chirurgia ortopedica e traumatologica è l’osteosintesi con chiodo intramidollare, che viene utilizzata per varie fratture del femore o della tibia, tra le altre. Una fase chirurgica impegnativa in queste procedure è l’inserimento percutaneo delle viti di bloccaggio distali sotto controllo fluoroscopico. Con la navigazione in realtà aumentata, è stato dimostrato che questo passaggio può essere realizzato con una media di sole 2 immagini di fluoroscopia, in contrasto con il metodo convenzionale, con il quale è stato descritto che sono necessarie fino a 25 immagini di fluoroscopia per posizionare correttamente una vite di bloccaggio [6].

Saranno ancora necessarie numerose fasi di sviluppo prima di un’ampia applicazione della realtà aumentata per la cosiddetta navigazione olografica “diretta”. La navigazione olografica “diretta” significa che un ologramma viene sovrapposto al chirurgo direttamente sulla struttura anatomica corrispondente, consentendo così la navigazione. Prima di ciò, sono obbligatorie le fasi di registrazione per accoppiare la realtà con la virtualità. La prima chirurgia spinale diretta con navigazione olografica al mondo è stata eseguita nel dicembre 2020 presso l’Ospedale Universitario Balgrist nell’ambito di uno studio randomizzato e controllato.

Esecuzione di osteotomie

Le osteotomie sono sempre state utilizzate nella chirurgia ortopedica per correggere un’ampia varietà di deformità ossee. L’osteotomia è definita come il taglio chirurgico mirato di un osso per correggerne successivamente la posizione, in modo che l’osso si consolidi in una posizione biomeccanicamente e/o funzionalmente ottimale. I presupposti per tali osteotomie correttive sono una precisa pianificazione preoperatoria e un’accurata realizzazione intraoperatoria dell’osteotomia e della correzione, in modo che il paziente tragga il massimo beneficio da tale intervento e non soffra di una malposizione persistente. Una delle osteotomie correttive più comuni in ortopedia oggi è l’osteotomia correttiva per l’alluce valgo. Se tale procedura non viene pianificata accuratamente o se l’osteotomia e la correzione non vengono eseguite con precisione, può potenzialmente portare a un accorciamento dell’alluce, che a sua volta può portare a una metatarsalgia da trasferimento e quindi a un dolore persistente all’avampiede. Per questo motivo, si stanno compiendo grandi sforzi per evitare tali problemi conseguenti, e si è potuto dimostrare in uno studio su un modello fantasma (Fig. 2) che utilizzando la realtà aumentata, anche i chirurghi ortopedici meno esperti possono eseguire un’osteotomia correttiva per l’alluce valgo in modo più preciso rispetto al metodo convenzionale [7].

Un’altra e probabilmente una delle osteotomie più impegnative in ortopedia è la cosiddetta osteotomia periacetabolare. Viene utilizzato in pazienti selezionati con displasia dell’anca e impingement femoroacetabolare. La cavità pelvica displasica (acetabolo) viene staccata dal resto del bacino mediante osteotomie tecnicamente impegnative e riorientata nel modo più fisiologico possibile. In uno studio proof of concept, è già stato dimostrato che l’uso della realtà aumentata mediante la sovrapposizione olografica dei piani osteotomici corretti nel campo visivo del chirurgo (Fig. 3) migliora l’accuratezza di questa impegnativa osteotomia correttiva per i chirurghi meno esperti [8].

Chirurgia ortopedica dei tumori

La chirurgia ortopedica dei tumori è un altro campo di applicazione predestinato per la realtà aumentata. Soprattutto nel caso di tumori maligni, una resezione completa del tumore è assolutamente necessaria per il successo della terapia. Spesso, però, l’esatta estensione di un tumore osseo non è direttamente visibile in fase intraoperatoria. Per questo motivo, in questi casi il chirurgo dipende ancora una volta dalla sua immaginazione tridimensionale. La trasformazione mentale dell’estensione del tumore accertata nella diagnostica per immagini preoperatoria nel sito intraoperatorio può essere molto impegnativa, ma è decisiva per il paziente. Per questo motivo, sono in corso sforzi per migliorare ulteriormente la precisione delle resezioni tumorali. Un potenziale progresso in questo ambito è anche l’uso della realtà aumentata per visualizzare continuamente l’esatta estensione del tumore intraoperatoriamente per il chirurgo ortopedico curante. Nei modelli animali, è già stato dimostrato che utilizzando la realtà aumentata con un sistema basato su un monitor (tablet PC), il margine di resezione di tumori ossei simulati nelle ossa tubolari lunghe [9] e nel bacino [10] poteva essere rimosso in modo più preciso e con un’aderenza più affidabile al margine di resezione richiesto rispetto alla resezione convenzionale.

Istruzione e formazione

La maggior parte delle procedure ortopediche si basa su una certa curva di apprendimento. Più frequentemente un intervento viene eseguito da un chirurgo ortopedico, migliori sono i risultati che ci si può aspettare. Tuttavia, a un certo punto della carriera, ogni chirurgo ortopedico si trova ancora sul ramo ascendente della curva di apprendimento per una determinata procedura. Per ottenere risultati ideali fin dall’inizio, si sta cercando di renderlo possibile utilizzando la realtà aumentata. Ad esempio, è stato dimostrato che gli specializzandi addestrati alle infiltrazioni dell’articolazione facciale utilizzando la realtà aumentata sono stati successivamente in grado di eseguire infiltrazioni dell’articolazione facciale con il metodo convenzionale in modo più accurato rispetto agli specializzandi addestrati solo con il metodo convenzionale [11]. Inoltre, è già stata descritta la possibilità della cosiddetta ortopedia “teleguidata”. In questo caso, un chirurgo ortopedico esperto supporta un collega meno esperto essendo virtualmente connesso all’operazione tramite la realtà aumentata, senza dover essere fisicamente sul posto. Questo è già stato dimostrato con successo nel contesto di vari interventi alla spalla tecnicamente impegnativi [12,13].

Messaggi da portare a casa

L’applicazione della realtà aumentata nella chirurgia ortopedica offre il potenziale per abbreviare i tempi delle procedure, ridurre l’esposizione alle radiazioni per il paziente e il chirurgo curante e aumentare la riproducibilità e la precisione delle procedure.
Il principale vantaggio della realtà aumentata finora è che le informazioni aggiuntive rilevanti possono essere sovrapposte al campo visivo del chirurgo ortopedico curante durante le fasi chirurgiche definite, senza doversi allontanare ripetutamente dal campo chirurgico.
Gli studi condotti fino ad oggi sulla realtà aumentata in ortopedia riguardano principalmente studi su phantom e cadaveri. La prima navigazione olografica diretta su un paziente è stata eseguita nel dicembre 2020 a Zurigo nell’ambito di uno studio controllato.

Letteratura:

Sutherland IE: Display tridimensionale montato sulla testa. Proc Fall Joint Comput Conf 1968; 757-764.
Jud L, Fotouhi J, Andronic O, et al: Applicabilità della realtà aumentata nella chirurgia ortopedica – Una revisione sistematica. BMC Musculoskelet Disord 2020; doi: 10.1186/s12891-020-3110-2.
Dennler C, Jaberg L, Spirig J, et al: La navigazione basata sulla realtà aumentata aumenta la precisione dell’inserimento delle viti peduncolari. J Orthop Surg Res 2020; doi: 10.1186/s13018-020-01690-x.
Agten CA, Dennler C, Rosskopf AB, et al: Iniezioni di articolazioni facciali lombari guidate dalla realtà aumentata. Invest Radiol 2018; doi: 10.1097/RLI.0000000000000478.
Fotouhi J, Alexander CP, Unberath M, et al: Pianificare in 2D, eseguire in 3D: una soluzione di realtà aumentata per il posizionamento del cotile nell’artroplastica totale dell’anca 2018; arXiv.
Londei R, Esposito M, Diotte B, et al: Realtà aumentata intraoperatoria nel bloccaggio distale. Int J Comput Assist Radiol Surg 2015; doi: 10.1007/s11548-015-1169-2.
Viehöfer AF, Wirth SH, Zimmermann SM, et al: Osteotomia guidata dalla realtà aumentata nella correzione dell’alluce valgo. BMC Musculoskelet Disord 2020; doi: 10.1186/s12891-020-03373-4.
Kiarostami P, Dennler C, Roner S, et al: Osteotomia periacetabolare guidata dalla realtà aumentata – proof of concept. J Orthop Surg Res 2020; doi: 10.1186/s13018-020-02066-x.
Cho HS, Park YK, Gupta S, et al: Realtà aumentata nella resezione del tumore osseo: uno studio sperimentale. Bone Jt Res 2017; doi: 10.1302/2046-3758.63.BJR-2016-0289.R1.
Cho HS, Park MS, Gupta S, et al: La realtà aumentata può essere utile nella chirurgia del cancro osseo pelvico? Uno studio in vitro. Clin Orthop Relat Res 2018; doi: 10.1007/s11999.0000000000000233.
Yeo CT, Ungi T, U-Thainual P, et al: L’effetto dell’addestramento alla realtà aumentata sul posizionamento dell’ago percutaneo nelle iniezioni dell’articolazione delle faccette spinali. IEEE Trans Biomed Eng 2011; doi: 10.1109/TBME.2011.2132131.
Ponce BA, Jennings JK, Clay TB, et al: Telementoring: uso della realtà aumentata nella formazione ortopedica: selezione della mostra AAOS. J Bone Jt Surg – Am Vol 2014; doi: 10.2106/JBJS.M.00928.
Ponce BA, Menendez ME, Oladeji LO, et al: Tecnologia emergente nella formazione chirurgica: combinazione di realtà aumentata in tempo reale e dispositivi informatici indossabili. Ortopedia 2014; doi: 10.3928/01477447-20141023-05.