ITBO20090111A1

ITBO20090111A1 - METHOD AND SURGICAL TRAINING APPARATUS

Info

Publication number: ITBO20090111A1
Application number: IT000111A
Authority: IT
Inventors: Debora Botturi; Paolo Fiorini; Davide Zerbato
Original assignee: Paolo Fiorini
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-08-27
Also published as: WO2010097771A3; EP2401713A2; IT1392871B1; WO2010097771A2

Description

Descrizione Description

METODO E APPARATO DI ADDESTRAMENTO CHIRURGICO METHOD AND SURGICAL TRAINING APPARATUS

Campo tecnico Technical field

La presente invenzione ha per oggetto un metodo e un apparato di addestramento chirurgico. The present invention relates to a surgical training method and apparatus.

Arte nota Known art

Sono noti metodi di addestramento alla chirurgia e relativi apparati di addestramento volti a soddisfare in qualche misura la necessitÃ di apprendimento della specializzazione chirurgica. Generalmente, questi metodi e relativi apparati permettono di eseguire l'addestramento a specifiche procedure chirurgiche, utilizzando a tale scopo simulazioni grafiche di generici organi di un paziente virtuale, ad esempio per l'endoscopia, la chirurgia vascolare, l'isterectomia. Surgical training methods and related training apparatuses are known aimed at satisfying to some extent the learning need of the surgical specialization. Generally, these methods and related apparatuses allow to perform training in specific surgical procedures, using for this purpose graphic simulations of generic organs of a virtual patient, for example for endoscopy, vascular surgery, hysterectomy.

Ad esempio, il brevetto US 5,791,907 illustra un dispositivo interattivo per l'addestramento medico, comprendente una unitÃ di elaborazione dotata di una unitÃ di visualizzazione o display, in cui l'unitÃ di elaborazione Ã ̈ programmata per insegnare procedure mediche ed addestrare il personale medico. For example, US patent 5,791,907 discloses an interactive device for medical training, comprising a processing unit equipped with a display unit, in which the processing unit is programmed to teach medical procedures and train medical personnel. .

Il brevetto US 5,454,722 illustra a sua volta un sistema interattivo dotato di elaboratore per l'addestramento a procedure chirurgiche da postazioni remote. Il sistema utilizza database visivi, sonori e testuali, per l'addestramento di studenti a procedure chirurgiche, utilizzando un sistema basato su personal computer dotato di risorse grafiche e multimediali. US patent 5,454,722 in turn illustrates an interactive system equipped with a computer for training in surgical procedures from remote locations. The system uses visual, audio and textual databases for training students in surgical procedures, using a personal computer-based system equipped with graphic and multimedia resources.

La domanda internazionale WO2007/027101 descrive un metodo per fornire insegnamenti e addestramento relativamente a procedure mediche, veterinarie e anatomiche. Tali procedure sono presentate all'utilizzatore attraverso una piattaforma multimediale interattiva atta a fornire istruzioni e addestramento. Tali metodi presentano perÃ² notevoli inconvenienti, ad esempio per il fatto che si limitano a predisporre, quale modello, generiche anatomie virtuali. Inoltre, i metodi noti non possono essere utilizzati in modo flessibile su procedure chirurgiche di tipo differente, bensÃ¬ presentano un range di utilizzo assai ristretto, generalmente limitato a procedure chirurgiche minimamente invasive. Per contro, i metodi di addestramento noti non sono idonei ad essere impiegati per altri tipi di operazioni chirurgiche, tra cui primariamente quelle che interessano la chirurgia robotica. International application WO2007 / 027101 describes a method for providing teaching and training relating to medical, veterinary and anatomical procedures. These procedures are presented to the user through an interactive multimedia platform designed to provide instructions and training. However, these methods have considerable drawbacks, for example due to the fact that they limit themselves to preparing, as a model, generic virtual anatomies. Furthermore, the known methods cannot be used flexibly on surgical procedures of different types, but have a very limited range of use, generally limited to minimally invasive surgical procedures. On the other hand, the known training methods are not suitable to be used for other types of surgical operations, including primarily those involving robotic surgery.

Sono noti ulteriormente dispositivi simulatori che possono essere utilizzati per scopi didattici e di addestramento, anche di chirurgia robotica. Si tratta di dispositivi atti a fornire all'utilizzatore una maggiore percezione della procedura chirurgica di interesse. In pratica, tali dispositivi predispongono un ambiente di simulazione in grado di riprodurre in modo verosimile la reazione sia tattile che visiva percepita nell'esecuzione di una particolare procedura o nell'utilizzo di un particolare strumento chirurgico. L'utilizzatore, pertanto, Ã ̈ chiamato a prendere decisioni in risposta a specifici stimoli che di volta in volta vengono riprodotti dal simulatore sia a livello tattile che visivo. Simulator devices are also known which can be used for didactic and training purposes, including robotic surgery. These are devices designed to provide the user with a greater perception of the surgical procedure of interest. In practice, these devices set up a simulation environment capable of reproducing in a plausible way the tactile and visual reaction perceived in the execution of a particular procedure or in the use of a particular surgical instrument. The user, therefore, is called upon to make decisions in response to specific stimuli that are reproduced from time to time by the simulator both on a tactile and visual level.

Il brevetto statunitense US 5,828,813 ad esempio illustra un dispositivo di input a riflessione della forza, a sei gradi di libertÃ , comprendente un braccio articolato, un polso e una base dotata di encoders e organi motore. Il dispositivo di input funziona da manipolatore master di un sistema robotico di teleoperazione microchirurgica, comprendente un manipolatore-slave accoppiato a uno chassis amplificatore, a sua volta accoppiato a uno chassis di controllo collegato a una stazione dotata di interfaccia grafica. Lo chassis amplificatore Ã ̈ accoppiato agli organi motore del manipolatore master, mentre lo chassis di controllo Ã ̈ collegato agli encoders del robot manipolatore master. Una riflessione di forza puÃ² essere applicata al dispositivo di input e puÃ² essere generata dal robot slave in modo da consentire all'utilizzatore di azionare il robot slave attraverso il dispositivo di input senza vedere fisicamente il robot slave. Inoltre, il ritorno di forza puÃ² essere generato dalla stazione per rappresentare forze fittizie al fine di obbligare il controllo del robot slave a permanere entro limiti immaginari predeterminati. I simulatori noti presentano tuttavia notevoli inconvenienti. Ad esempio, tali dispositivi sono generalmente rappresentati da apparecchiature molto voluminose, quindi costose e difficili da trasportare. Oltretutto, tali dispositivi possono essere impiegati da un operatore alla volta, aggravando ulteriormente i costi di addestramento. Infine, oltre a essere limitati a un ridotto numero di procedure chirurgiche, con scarse possibilitÃ di adattamento ad altri utilizzi, i simulatori noti non consentono di fornire la percezione tattile corretta dei tessuti anatomici interessati alla simulazione. US Patent US 5,828,813 for example illustrates a force reflection input device, with six degrees of freedom, comprising an articulated arm, a wrist and a base equipped with encoders and motor members. The input device functions as the master manipulator of a robotic microsurgical teleoperation system, comprising a manipulator-slave coupled to an amplifier chassis, in turn coupled to a control chassis connected to a station equipped with a graphical interface. The amplifier chassis is coupled to the motor parts of the master manipulator, while the control chassis is connected to the encoders of the master manipulator robot. A force reflection can be applied to the input device and can be generated by the slave robot in order to allow the user to operate the slave robot through the input device without physically seeing the slave robot. Furthermore, the force feedback can be generated by the station to represent fictitious forces in order to force the control of the slave robot to remain within predetermined imaginary limits. However, known simulators have considerable drawbacks. For example, such devices are generally represented by very bulky equipment, therefore expensive and difficult to transport. Moreover, these devices can be used by one operator at a time, further aggravating training costs. Finally, besides being limited to a small number of surgical procedures, with scarce possibility of adaptation to other uses, known simulators do not allow to provide the correct tactile perception of the anatomical tissues involved in the simulation.

Per i citati motivi, le strutture ospedaliere sono spesso sprovviste di adeguati mezzi di addestramento per il personale medico. Per compensare tale mancanza, l'addestramento chirurgico viene svolto con il solo ausilio della letteratura disponibile. Lo studio della letteratura medica richiede perÃ² tempi non trascurabili, senza tuttavia assicurare una preparazione adeguata per la pratica chirurgica. For the aforementioned reasons, hospitals often lack adequate training facilities for medical personnel. To compensate for this lack, surgical training is carried out with the only help of the available literature. However, the study of the medical literature requires not negligible time, without however ensuring adequate preparation for surgical practice.

Presentazione dellâ€™invenzione Presentation of the invention

Il compito della presente invenzione Ã ̈ quello di risolvere i problemi citati, escogitando un metodo e un apparato per l'addestramento chirurgico che consentano di effettuare in modo efficace l'addestramento del personale medico per qualsiasi tipo di procedura chirurgica, in particolare sia per procedure chirurgiche minimamente invasive che per procedure assistite da elaboratore e di tipo robotico. The task of the present invention is to solve the aforementioned problems, devising a method and an apparatus for surgical training that allow the training of medical personnel to be carried out effectively for any type of surgical procedure, in particular for both procedures minimally invasive surgical procedures and for computer-assisted and robotic-type procedures.

Un altro scopo dellâ€™invenzione Ã ̈ quello di fornire un apparato di semplice concezione costruttiva funzionale, dotato di funzionamento sicuramente affidabile, di impiego versatile, nonchÃ© di costo relativamente economico. Another object of the invention is to provide an apparatus with a simple functional construction concept, with reliable operation, versatile in use, as well as relatively cheap in cost.

Gli scopi citati vengono raggiunti, secondo la presente invenzione, dal metodo e dall'apparato di addestramento chirurgico secondo le rivendicazioni 1 e 16. The aforementioned purposes are achieved, according to the present invention, by the method and by the surgical training apparatus according to claims 1 and 16.

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

I particolari dellâ€™invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite dell'apparato per l'addestramento chirurgico secondo lâ€™invenzione, illustrato a titolo indicativo negli uniti disegni, in cui: The details of the invention will become more evident from the detailed description of preferred embodiments of the apparatus for surgical training according to the invention, illustrated by way of example in the accompanying drawings, in which:

la figura 1 mostra una vista schematica in prospettiva dell'apparato di addestramento in oggetto, Figure 1 shows a schematic perspective view of the training apparatus in question,

la figura 2 mostra una vista in prospettiva di una ulteriore forma di realizzazione dell'apparato secondo l'invenzione, figure 2 shows a perspective view of a further embodiment of the apparatus according to the invention,

la figura 3 mostra un diagramma di flusso indicante le fasi operative del metodo di addestramento secondo l'invenzione. Figure 3 shows a flow chart indicating the operating steps of the training method according to the invention.

Forme di realizzazione dellâ€™invenzione Embodiments of the invention

Con particolare riferimento a tali figure, si Ã ̈ indicato nellâ€™insieme con 1 l'apparato di addestramento chirurgico in oggetto. L'apparato 1 Ã ̈ costituito principalmente da una componente hardware e da una componente software. With particular reference to these figures, the surgical training apparatus in question is indicated together with 1. Apparatus 1 consists mainly of a hardware component and a software component.

La componente hardware, che Ã ̈ rappresentata schematicamente in fig. 1, comprende una unitÃ di elaborazione 2, collegata a una coppia di mezzi di comando 3 a riflessione della forza, ad almeno uno schermo 4 e ad almeno una tastiera alfanumerica 5. The hardware component, which is represented schematically in fig. 1, comprises a processing unit 2, connected to a pair of force reflection control means 3, to at least one screen 4 and to at least one alphanumeric keyboard 5.

I mezzi di comando 3 sono preferibilmente costituiti da joysticks del tipo a riflessione di forza, atti cioÃ ̈ a consentire all'utilizzatore la percezione di forze dovute al contatto degli strumenti con l'anatomia virtuale del paziente. The control means 3 are preferably constituted by joysticks of the force reflection type, which are adapted to allow the user to perceive forces due to the contact of the instruments with the virtual anatomy of the patient.

Nella forma di realizzazione illustrata in fig. 1, i joysticks 3 sono del tipo specificatamente illustrato dal brevetto US 5,828,813, cioÃ ̈ costituiti da rispettivi bracci robotizzati comprendenti una pluralitÃ di punti di articolazione, ad esempio in corrispondenza del polso e del gomito. Alternativamente, possono essere previsti joysticks 3a di costruzione piÃ¹ semplice (si veda la fig. 2), ad un solo punto di articolazione, in ogni caso del tipo a riflessione di forza. In the embodiment illustrated in FIG. 1, the joysticks 3 are of the type specifically illustrated by US patent 5,828,813, ie consisting of respective robotic arms comprising a plurality of articulation points, for example at the wrist and elbow. Alternatively, joysticks 3a of simpler construction can be provided (see Fig. 2), with a single articulation point, in any case of the force reflection type.

I joysticks 3, 3a presentano preferibilmente sette gradi di libertÃ per la riflessione della forza, sei dei quali sono atti a rappresentare le forze e i momenti torcenti generati dalle simulazioni anatomiche, mentre il restante grado di libertÃ rappresenta l'attivazione dello strumento chirurgico virtuale prescelto, come meglio descritto in seguito. The joysticks 3, 3a preferably have seven degrees of freedom for force reflection, six of which are designed to represent the forces and torques generated by the anatomical simulations, while the remaining degree of freedom represents the activation of the chosen virtual surgical instrument, as better described below.

Lo schermo 4 Ã ̈ atto invece a consentire all'utilizzatore una visione preferibilmente stereo dell'anatomia virtuale del paziente durante l'esecuzione dell'intervento chirurgico selezionato. The screen 4, on the other hand, is designed to allow the user a preferably stereo view of the virtual anatomy of the patient during the execution of the selected surgery.

Infine, la tastiera 5 consente all'utilizzatore di inserire informazioni testuali in relazione alle scelte procedurali oggetto di studio oppure semplicemente di annotare osservazioni. Finally, the keyboard 5 allows the user to enter textual information in relation to the procedural choices under study or simply to annotate observations.

L'apparato 1 comprende preferibilmente mezzi auricolari e di interazione vocale, ad esempio microfoni, non rappresentati in figura per semplicitÃ , atti a consentire all'utilizzatore di simulare l'interazione verbale all'interno della sala operatoria. The apparatus 1 preferably comprises earphone and voice interaction means, for example microphones, not shown in the figure for simplicity, suitable to allow the user to simulate the verbal interaction inside the operating room.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione illustrata in fig. 2, l'apparato di addestramento conforma una console di addestramento 10 che prevede una sede 6 tra i joysticks 3a, per l'alloggiamento di un a unitÃ di elaborazione portatile di tipo noto, non rappresentata. La console 10 risulta quindi facilmente trasportabile, oltre che assai versatile, in quanto richiede per l'utilizzo la sola disponibilitÃ di un PC portatile. According to a further embodiment illustrated in fig. 2, the training apparatus conforms a training console 10 which provides a seat 6 between the joysticks 3a, for housing a portable processing unit of a known type, not shown. The console 10 is therefore easily transportable, as well as very versatile, as it requires only the availability of a portable PC for use.

La componente software installabile nell'unitÃ di elaborazione 2 dell'apparato 1 o implementabile su un PC portatile da inserire nella sede 6 della console 10, comprende una interfaccia atta a consentire all'utente l'esecuzione di una serie di fasi operative di preparazione alla simulazione. Ad esempio l'interfaccia consente l'accesso alla simulazione, la scelta del tipo di procedura chirurgica da simulare, la selezione del livello di supporto richiesto durante la simulazione, nonchÃ© del livello di feedback finale e di valutazione. The software component which can be installed in the processing unit 2 of the apparatus 1 or which can be implemented on a portable PC to be inserted in the seat 6 of the console 10, comprises an interface designed to allow the user to carry out a series of operational steps to prepare for simulation. For example, the interface allows access to the simulation, the choice of the type of surgical procedure to be simulated, the selection of the level of support required during the simulation, as well as the level of final feedback and evaluation.

La componente software comprende altresÃ¬ una banca dati contenente i dati anatomici reali di una pluralitÃ di pazienti. In particolare, la banca dati puÃ² illustrare il modello della anatomia del paziente, ma anche filmati di specifiche procedure eseguite sul modello. The software component also includes a database containing the real anatomical data of a plurality of patients. In particular, the database can illustrate the model of the patient's anatomy, but also videos of specific procedures performed on the model.

La componente software comprende ulteriormente un visualizzatore anatomico atto a fornire un modello grafico della zona anatomica di interesse, integrato con immagini dirette degli organi coinvolti. The software component further comprises an anatomical viewer capable of providing a graphic model of the anatomical area of interest, integrated with direct images of the organs involved.

Oltre al visualizzatore grafico, l'apparato comprende un visualizzatore video atto a mostrare, sotto forma di filmato, la procedura chirurgica effettivamente realizzata dall'utilizzatore, parzialmente o interamente. In addition to the graphic display, the apparatus comprises a video display adapted to show, in the form of a video, the surgical procedure actually carried out by the user, partially or entirely.

La componente software puÃ² prevedere inoltre una banca dati di informazione testuale relativa alle varie procedure, preferibilmente arricchita da animazioni e immagini alle quali l'utente puÃ² accedere per esaminare con maggiore dettaglio specifici aspetti della procedura. The software component can also provide a database of textual information relating to the various procedures, preferably enriched by animations and images which the user can access to examine specific aspects of the procedure in greater detail.

La componente software comprende un modulo simulatore atto a consentire all'utilizzatore in fase di addestramento di eseguire l'intervento selezionato o la procedura chirurgica su un modello fisico dell'anatomia del paziente. PiÃ¹ precisamente, il modulo simulatore consente di elaborare e integrare alla simulazione grafica, i dati reali del paziente ricavabili dalla strumentazione medica, quali ad esempio quelli ottenuti mediante TAC o MRI. La trasformazione delle evidenze di refertazione medica Ã ̈ realizzata mediante un processo di segmentazione che restituisce una immagine tridimensionale, dotata quindi di volumi. A tale immagine segmentata vengono poi assegnate proprietÃ fisiche, quali in particolare la massa, l'elasticitÃ e la viscositÃ dei tessuti organici, in modo da ottenere un modello tridimensionale biomeccanico della zona anatomica di interesse. L'assegnazione delle proprietÃ fisiche consente di simulare, come meglio descritto nel seguito, una realistica interazione degli strumenti chirurgici virtuali con la zona anatomica simulata. PiÃ¹ precisamente, tale interazione consente di simulare le forze di interazione tra gli strumenti chirurgici selezionati dall'utente e gli organi simulati, con una velocitÃ di rendering dell'ordine di 1 kHz. Quanto maggiore Ã ̈ la velocitÃ di rendering dell'interazione dinamica, tanto meno risulta percepibile dall'utilizzatore il ritardo tra l'interazione virtuale e la resa delle sensazioni tattili attraverso i joysticks 3, 3a, come meglio descritto in seguito (si veda la fig.3). The software component comprises a simulator module adapted to allow the user in the training phase to perform the selected intervention or surgical procedure on a physical model of the patient's anatomy. More precisely, the simulator module allows you to process and integrate real patient data from medical instruments, such as those obtained by CT or MRI, to the graphic simulation. The transformation of the medical report evidence is achieved through a segmentation process that returns a three-dimensional image, therefore equipped with volumes. Physical properties are then assigned to this segmented image, such as in particular the mass, elasticity and viscosity of the organic tissues, in order to obtain a three-dimensional biomechanical model of the anatomical area of interest. The assignment of the physical properties allows to simulate, as better described below, a realistic interaction of the virtual surgical instruments with the simulated anatomical area. More precisely, this interaction allows to simulate the interaction forces between the surgical instruments selected by the user and the simulated organs, with a rendering speed of the order of 1 kHz. The greater the rendering speed of the dynamic interaction, the less the delay between the virtual interaction and the rendering of tactile sensations is perceived by the user through the joysticks 3, 3a, as better described below (see fig. .3).

E' inoltre previsto un modulo visualizzatore in grado di consentire l'accesso a una o piÃ¹ telecamere virtuali. Le telecamere virtuali sono atte a consentire all'utilizzatore di visualizzare l'area anatomica di interesse dall'angolazione desiderata. Inoltre tale modulo consente di visualizzare, a scelta, le parti visibili, oppure le zone inaccessibili, mediante l'attivazione di ulteriori telecamere artificiali. A viewer module is also foreseen, able to allow access to one or more virtual cameras. The virtual cameras are designed to allow the user to view the anatomical area of interest from the desired angle. Furthermore, this module allows the visualization of the visible parts or the inaccessible areas, by activating additional artificial cameras.

Un modulo di disconnessione e di ripetizione Ã ̈ altresÃ¬ predisposto per consentire la registrazione in successione cronologica delle azioni effettuate dall'utilizzatore, delle posizioni e delle forze applicate dagli strumenti utilizzati, e atto a riprodurre, immediatamente oppure al termine della procedura, delle azioni eseguite dall'utilizzatore. A disconnection and repetition form is also prepared to allow the recording in chronological succession of the actions carried out by the user, of the positions and forces applied by the tools used, and able to reproduce, immediately or at the end of the procedure, the actions performed by the user.

Al fine di incrementare le possibilitÃ di apprendimento pratico, la componente software Ã ̈ dotata ulteriormente di un modulo di generazione di eventi casuali, atto a simulare l'insorgenza di eventi inattesi nel corso dell'intervento. In order to increase the possibilities of practical learning, the software component is further equipped with a module for generating random events, designed to simulate the onset of unexpected events during the intervention.

La componente software puÃ² comprendere inoltre un modulo di segnalazione, atto ad avvisare l'utilizzatore nel caso si prospettino situazioni di pericolo oppure a suggerire possibilitÃ alternative di intervento. The software component can also include a reporting module, designed to alert the user in the event of dangerous situations or to suggest alternative possibilities of intervention.

Uno o piÃ¹ moduli mirror sono predisposti per consentire a uno o piÃ¹ insegnanti di supervisionare la procedura eseguita dallo studente, di intervenire attraverso correzioni o moniti, e infine di valutare il grado di preparazione e di addestramento. One or more mirror modules are designed to allow one or more teachers to supervise the procedure performed by the student, to intervene through corrections or warnings, and finally to evaluate the degree of preparation and training.

Uno specifico modulo di valutazione puÃ² infine essere predisposto per valutare la qualitÃ delle scelte procedurali effettuate dallo studente nel corso dell'intervento simulato. Finally, a specific evaluation module can be prepared to evaluate the quality of the procedural choices made by the student during the simulated intervention.

Il metodo di addestramento realizzato dall'apparato descritto risulta facilmente comprensibile dalla descrizione che precede. The training method carried out by the described apparatus is easily understood from the preceding description.

In una fase di preparazione della simulazione chirurgica, l'utilizzatore effettua l'accesso al programma di addestramento e seleziona il proprio livello di conoscenza tra una pluralitÃ di differenti livelli proposti. In a phase of preparation of the surgical simulation, the user accesses the training program and selects his level of knowledge among a plurality of different levels proposed.

Successivamente seleziona una procedura chirurgica oppure una determinata patologia e infine sceglie se operare in modalitÃ di studio di un caso prescelto giÃ affrontato oppure in modalitÃ di svolgimento pratico. He then selects a surgical procedure or a specific pathology and finally chooses whether to operate in the mode of study of a selected case already addressed or in practical mode.

In modalitÃ di studio, l'unitÃ di elaborazione 2 fornisce informazioni testuali e grafiche relative alla procedura, mostra un filmato della procedura effettivamente realizzata, nonchÃ© una simulazione della procedura nella simulazione, per consentire all'utilizzatore di navigare avanti o indietro alla fase operativa di interesse e di vedere l'intervento da differenti punti di vista. In study mode, processing unit 2 provides textual and graphic information relating to the procedure, shows a video of the procedure actually carried out, as well as a simulation of the procedure in the simulation, to allow the user to navigate forward or backward to the operational phase of interest and to see the intervention from different points of view.

Se, invece, l'utilizzatore sceglie di svolgere l'intervento, l'unitÃ di elaborazione 2 mostra tutti i dati testuali disponibili in relazione al paziente, in idoneo formato medico. La medesima unitÃ 2 mostra inoltre i dati pre-operativi, in modo da consentire all'utilizzatore di formulare una diagnosi e di decidere un piano di svolgimento dell'intervento. Successivamente, l'utilizzatore puÃ² acquisire istruzioni iniziali per il corretto settaggio della periferica robotica oppure degli strumenti laparoscopici idonei all'esecuzione dell'intervento. If, on the other hand, the user chooses to carry out the intervention, the processing unit 2 shows all the textual data available in relation to the patient, in a suitable medical format. The same unit 2 also shows the pre-operative data, in order to allow the user to formulate a diagnosis and decide on a plan for carrying out the intervention. Subsequently, the user can acquire initial instructions for the correct setting of the robotic peripheral or of the laparoscopic instruments suitable for the execution of the intervention.

Al termine di una successiva fase di elaborazione, la componente software Ã ̈ in grado di mostrare la simulazione di un ambiente anatomico, secondo le modalitÃ selezionate e i dati inseriti dall'utilizzatore, quali ad esempio il posizionamento delle telecamere, la tipologia, il numero e il punto di accesso degli strumenti. At the end of a subsequent processing phase, the software component is able to show the simulation of an anatomical environment, according to the modes selected and the data entered by the user, such as the positioning of the cameras, the type, the number and the access point of the instruments.

Se Ã ̈ stato selezionato uno strumento di visualizzazione adeguato, nella fase successiva la componente software Ã ̈ in grado di elaborare la visualizzazione stereo dell'area interessata dall'intervento. If a suitable visualization tool has been selected, in the next phase the software component is able to process the stereo visualization of the area affected by the intervention.

Nella fase successiva, i joysticks 3, 3a a riflessione di forza possono essere selettivamente connessi a rispettivi strumenti chirurgici visualizzati dall'unitÃ di elaborazione 2, atti a interagire virtualmente con l'ambiente anatomico simulato. L'unitÃ di elaborazione 2 attiva in seguito la simulazione fisica dell'ambiente anatomico in cui gli strumenti chirurgici selezionati sono atti a operare mediante la manipolazione dei joysticks 3, 3a. In the next phase, the force reflection joysticks 3, 3a can be selectively connected to respective surgical instruments displayed by the processing unit 2, capable of interacting virtually with the simulated anatomical environment. The processing unit 2 then activates the physical simulation of the anatomical environment in which the selected surgical instruments are able to operate by manipulating the joysticks 3, 3a.

L'unitÃ di elaborazione 2, nel frattempo, registra in successione cronologica tutte le azioni, gli spostamenti, le battiture sulla tastiera 5, l'interazione con l'ambiente di simulazione, per potere riprodurre in seguito qualsiasi fase dell'intervento. Nel corso della simulazione, la componente software elabora e produce mediante la componente hardware appropriate segnalazioni sonore, visive o tattili, atte a guidare l'utilizzatore durante l'addestramento, portando alla sua attenzione eventuali possibili errori o divergenze rispetto a una procedura ottimale. L'abilitazione di tali segnalazioni, nonchÃ© la scelta tra le tipologie disponibili di avvertimento, possono essere effettuate in base al livello di apprendimento dell'utilizzatore, selezionato nella fase di preparazione precedentemente descritta. The processing unit 2, meanwhile, records in chronological succession all the actions, the movements, the keystrokes on the keyboard 5, the interaction with the simulation environment, in order to be able to reproduce any phase of the intervention later on. During the simulation, the software component processes and produces, using the hardware component, appropriate sound, visual or tactile signals, designed to guide the user during training, bringing to his attention any possible errors or deviations from an optimal procedure. The enabling of these signals, as well as the choice between the types of warnings available, can be made on the basis of the user's learning level, selected in the preparation phase described above.

Il metodo e l'apparecchiatura per l'apprendimento chirurgico consentono pertanto di raggiungere lo scopo di effettuare in modo efficace l'addestramento del personale medico per qualsiasi tipo di procedura chirurgica, in particolare sia per procedure chirurgiche minimamente invasive che per procedure assistite da elaboratore e di tipo robotico. The method and equipment for surgical learning therefore allow to achieve the aim of effectively training medical personnel for any type of surgical procedure, in particular for both minimally invasive surgical procedures and for computer-assisted procedures and robotic type.

Una prerogativa del metodo proposto Ã ̈ costituita dal fatto di integrare informazioni di tipo testuale, multimediale e tattile, in modo da elaborare un modello anatomico fisico sul quale l'utilizzatore Ã ̈ in grado di simulare diverse procedure chirurgiche a sua scelta. In particolare, grazie alla trasformazione dei dati ricavabili dalla strumentazione di indagine medica, quali TAC e MRI principalmente, l'utilizzatore Ã ̈ in grado di operare su un modello realistico dotato di proprietÃ fisiche altrettanto realistiche e quindi di percepire durante la simulazione dell'intervento le stesse sensazioni tattili e dinamiche che percepirebbe nella reale esecuzione operatoria. Questa prerogativa assicura un un effettivo apprendimento della procedura chirurgica da parte dell'utilizzatore. Un ulteriore aspetto vantaggioso del metodo proposto consiste nel fatto che consente all'utilizzatore di essere guidato dall'unitÃ di elaborazione, in modo da apprendere la modalitÃ migliore e, allo stesso tempo, conoscere i rischi delle scelte non consigliate per l'esecuzione dell'intervento. Il modulo di avvertimento, infatti, Ã ̈ in grado di elaborare il percorso migliore per la procedura chirurgica selezionata, avvisando l'utilizzatore in tempo utile per prendere decisioni appropriate. A prerogative of the proposed method is constituted by the fact of integrating textual, multimedia and tactile information, in order to develop a physical anatomical model on which the user is able to simulate different surgical procedures of his choice. In particular, thanks to the transformation of the data obtainable from medical investigation instruments, such as CT and MRI mainly, the user is able to operate on a realistic model with equally realistic physical properties and therefore to perceive during the simulation of the intervention the same tactile and dynamic sensations that he would perceive in the actual operative execution. This prerogative ensures an effective learning of the surgical procedure by the user. A further advantageous aspect of the proposed method consists in the fact that it allows the user to be guided by the processing unit, in order to learn the best way and, at the same time, to know the risks of the choices not recommended for the execution of the intervention. The warning module, in fact, is able to elaborate the best path for the selected surgical procedure, alerting the user in time to make appropriate decisions.

Un vantaggio del metodo di addestramento in oggetto Ã ̈ dato dal fatto che prevede la possibilitÃ di valutare il grado di competenza dell'utilizzatore, in virtÃ¹ della capacitÃ di diagnosi, delle azioni intraprese e dell'effettivo svolgimento della simulazione chirurgica. An advantage of the training method in question is given by the fact that it provides the possibility of evaluating the degree of competence of the user, by virtue of the ability to diagnose, the actions taken and the actual carrying out of the surgical simulation.

L'apparato di addestramento chirurgico secondo l'invenzione puÃ² essere collegato a una stazione master gestita dall'insegnante, che puÃ² intervenire nella simulazione dello studente, ogni qualvolta lo ritenga necessario, semplicemente utilizzando rispettivi joysticks 3, 3a. The surgical training apparatus according to the invention can be connected to a master station managed by the teacher, who can intervene in the simulation of the student, whenever he deems it necessary, simply by using respective joysticks 3, 3a.

Inoltre l'apparato consente di realizzare una sorta di laboratorio di chirurgia virtuale, in cui una pluralitÃ di unitÃ di elaborazione 2 sono collegate a una stessa unitÃ di elaborazione master, in modo da consentire la simultanea connessione di una intera classe di studenti in fase di apprendimento, coordinati e supervisionati da uno o piÃ¹ insegnanti. Furthermore, the apparatus allows the creation of a sort of virtual surgery laboratory, in which a plurality of processing units 2 are connected to the same master processing unit, so as to allow the simultaneous connection of an entire class of students in the phase of learning, coordinated and supervised by one or more teachers.

Un vantaggio dell'apparato in oggetto consiste nella possibilitÃ di attualizzare continuamente il modello anatomico simulato con dati aggiornati circa la reale anatomia del paziente, semplicemente reiterando il procedimento di trasformazione dei dati clinici descritto in precedenza (fig. 3). In tale modo il metodo Ã ̈ in grado di generare sessioni di apprendimento sempre nuove sulla medesima procedura chirurgica. An advantage of the apparatus in question consists in the possibility of continuously updating the simulated anatomical model with updated data about the real anatomy of the patient, simply by repeating the procedure of transformation of the clinical data described previously (fig. 3). In this way the method is able to generate ever new learning sessions on the same surgical procedure.

Un aspetto di rilievo dell'apparato in oggetto consiste nel fatto che puÃ² essere realizzato mediante unitÃ di elaborazione e relative periferiche di facile ed economico reperimento. Infatti, secondo la forma realizzativa illustrata in figura 2, l'apparato di addestramento puÃ² essere semplicemente costituito dal collegamento della console 10 comprendente i joysticks 3a con un computer portatile di comune utilizzo, in cui siano stati previamente installati i moduli prescelti della componente software precedentemente illustrata. Il metodo di apprendimento puÃ² quindi essere realizzato sostanzialmente ovunque, semplicemente trasportando la console 10 nel luogo desiderato, con estrema facilitÃ di impiego. An important aspect of the apparatus in question consists in the fact that it can be realized by means of processing units and relative peripherals which are easy and cheap to find. In fact, according to the embodiment illustrated in Figure 2, the training apparatus can simply be constituted by the connection of the console 10 comprising the joysticks 3a with a commonly used laptop, in which the previously selected modules of the software component have been previously installed. illustrated. The learning method can therefore be practically carried out anywhere, simply by transporting the console 10 to the desired place, with extreme ease of use.

Risulta molto efficace il modulo di valutazione implementabile nell'apparato, in grado di valutare l'utilizzatore, in base alle istruzioni inviate mediante i joysticks di comando oltre che ai tempi di risposta agli stimoli di volta in volta generati dal modulo di generazione di eventi casuali. The evaluation module that can be implemented in the device is very effective, able to evaluate the user, based on the instructions sent through the control joysticks as well as the response times to the stimuli generated from time to time by the random event generation module .

Ãˆ infine da osservare che l'apparato in oggetto risulta facilmente maneggevole e trasportabile. L'apparato in sÃ© Ã ̈ di semplice costruzione, e quindi anche di costo contenuto. La sua diffusione Ã ̈ altresÃ¬ potenzialmente assai vasta negli ambienti di apprendimento chirurgico. Finally, it should be noted that the apparatus in question is easily manageable and transportable. The apparatus itself is of simple construction, and therefore also of low cost. Its diffusion is also potentially very vast in surgical learning environments.

Nella pratica attuazione dellâ€™invenzione, i materiali impiegati, nonchÃ© la forma e le dimensioni, possono essere qualsiasi a seconda delle esigenze. In the practical implementation of the invention, the materials used, as well as the shape and dimensions, can be any according to requirements.

Laddove le caratteristiche tecniche menzionate in ogni rivendicazione siano seguite da segni di riferimento, tali segni di riferimento sono stati inclusi al solo scopo di aumentare la comprensione delle rivendicazioni e di conseguenza essi non hanno alcun valore limitativo sullo scopo di ogni elemento identificato a titolo dâ€™esempio da tali segni di riferimento. Where the technical characteristics mentioned in each claim are followed by reference signs, these reference signs have been included for the sole purpose of increasing the understanding of the claims and consequently they have no limiting value on the purpose of each element identified by way of ™ example from such reference marks.

Claims

Claims 1) Surgical training method comprising the following operational steps: a. enter in a processing unit (2) clinical data collected by means of suitable medical instruments; b. processing said clinical data so as to obtain, by means of a segmentation process, a three-dimensional anatomical model of an anatomical environment, which can be viewed by means of a graphic interface; c. assigning respective biomechanical properties to said three-dimensional anatomical model so as to obtain a physical anatomical model of said anatomical environment; d. providing virtual surgical instruments and respective force reflection control means, suitable for simulating, by means of said graphic interface, a physical interaction between said virtual surgical instruments and said physical anatomical model, as well as rendering the tactile perception of said interaction; And. simulating, by operating said control means, exploration procedures and / or surgical procedures on said physical anatomical model by means of said virtual surgical instruments.

2) Method according to claim 1, characterized in that it comprises the further step of selecting a desired point of view for the visualization of said anatomical environment comprising said physical anatomical model, by means of the use of virtual cameras.

3) Method according to claim 2, characterized in that it comprises the further step of selecting the visualization by means of said graphic interface of visible portions of said anatomical environment or of inaccessible portions.

4) Method according to claim 2, characterized in that it comprises the further step of making the tactile perception of the forces of interaction between said virtual surgical instruments and said anatomical environment with a speed of the order of 1 kHz.

5) Method according to claim 2, characterized in that it comprises the further step of selecting a suitable learning level and / or a suitable support level among a plurality of selectable levels, to simulate a said surgical procedure.

6) Method according to claim 2, characterized in that it comprises the further step of preparing a database comprising anatomical clinical data to be integrated in said processing step of said anatomical model for the simulation of said surgical procedure.

7) Method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the further step of recording the succession of graphic elaborations generated by said graphic interface during said simulation of said surgical procedure, to allow its reproduction in film.

8) Method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the further step of preparing a database of textual information capable of being displayed in the form of animations or images during the course of said simulation.

9) Method according to one of the preceding claims, characterized in that said clinical data are obtained by CT and / or MRI.

10) Method according to one of the preceding claims, characterized in that said biomechanical properties assigned to said three-dimensional anatomical model include at least the mass, elasticity and viscosity of the organic tissues simulated in said anatomical environment.

11) Method according to one of the preceding claims, characterized by the fact that it comprises the further step of providing by means of said graphic interface a generation of random events, suitable for simulating the onset of unexpected events during said simulation.

12) Method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the further step of providing signals suitable for warning of the onset of dangers and / or for suggesting preferred solutions for carrying out said simulation.

13) Method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the further step of allowing access by a supervisor able to supervise, intervene, signal and correct any incorrect choices during the execution of said simulation.

14) Method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the further step of allowing the assessment of the degree of preparation of the performer of said simulation.

15) Method according to claim 1, characterized in that it comprises the further step of selecting between a study mode of a said simulation already performed and a mode of execution of a new simulation.

16) Surgical training apparatus comprising force reflection control means (3, 3a), adapted to be connected to a processing unit (2) for carrying out the method according to one of the preceding claims, as well as to at least one screen (4) for graphical display and at least one alphanumeric keyboard (5) for entering textual or graphical data.

17) Apparatus according to claim 16, characterized in that said control means (3, 3a) comprise a pair of joysticks (3, 3a) for the virtual control of respective virtual surgical instruments.

18) Apparatus according to claim 17, characterized in that between said joysticks (3a) there is defined a seat (6) for housing a said portable processing unit for carrying out said training method.

19) Apparatus according to one of claims 16 to 18, characterized in that it comprises earphone and / or voice interaction means suitable for simulating the verbal interaction typical of an operating room.