Da una collaborazione tra il MIT e il Children’s Hospital di Boston nato un sistema capace di interpretare le scansioni a risonanza magnetica (MRI) del cuore di un paziente
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per realizzare in poche ore un modello fisico stampato 3D che i chirurghi possono utilizzare da studiare e pianficare un intervento. I modelli tridimensionali di un organo offrono un modo pi intuitivo per la valutazione e la preparazione alle particolarit anatomiche di ciascun paziente. Polina Golland, professore di ingegneria elettrica e computer science al MIT e coordinatrice del progetto, ha osservato: “I nostri collaboratori sono convinti che questo far la differenza. Si dice che ‘il chirurgo vede con le sue mani’, che la percezione tattile”.
Il prossimo autunno sette cardiochirurghi del Boston Children’s Hospital parteciperanno ad uno studio che avr lo scopo di valutare l’utilit dei modelli tridimensionali. Golland e i colleghi descriveranno il nuovo sistema in occasione dell”International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention di ottobre.
Danielle Pace, laureata al MIT in ingegneria elettrica e computer science, prima autrice della ricerca e ha guidato lo sviluppo del software che si occupa di analizzare le scansioni MRI. Medhi Mogari, fisico del Boston Children’s Hospital, ha sviluppato nuove procedure per incrementare di decine di volte la precisione delle scansioni MRI e infine Andrew Powell, cardiologo dell’ospedale, ha guidato il lavoro clinico del progetto, finanziato da Boston Children’s Hospital e dall’ Harvard Catalyst, un consorzio che ha lo scopo di agevolare l’applicazione in clinica delle innovazioni scientifiche.
Le informazioni che possono essere recuperate dalle scansioni MRI sono sezioni trasversali di un oggetto tridimensionale. Ciascuna sezione mostra regioni di ombre e di luce: i confini di queste regioni possono o meno rappresentare i bordi di una struttura anatomica. Si evince quindi che la capacit di determinare i confini tra elementi distinti in un’immagine uno dei problemi principali nella computer vision, che rientra sotto le tecniche di “image segmentation“. Gli algoritmi generici di image segmentation non sono sufficientemente affidabili per produrre quei modelli ad alta precisione richiesti dalla pianificazione chirurgica.
Per rendere pi preciso un algoritmo di image segmentation si ricorre di norma all’integrazione con un modello generico dell’oggetto che deve essere segmentato. Nel caso del cuore umano, per esempio, vi sono vasi sanguigni e camere che sono nelle stesse posizioni reciproche: la coerenza anatomica potrebbe quindi consentire ad un algoritmo di segmentazione di eliminare conclusioni improbabili nel determinare i confini degli oggetti. Tuttavia questo approccio presenta un altro problema: molti dei pazienti hanno bisogno di essere sottoposti ad un intervento chirurgico proprio perch vi sono delle anomalie anatomiche. Cercare, quindi, di desumere un modello tridimensionale del loro cuore sfruttando un modello generico potrebbe nascondere i dettagli che invece risulterebbero di maggior importanza per il chirurgo.
In passato i ricercatori hanno prodotto alcuni modelli del cuore, stampandoli in 3D, indicando manualmente i bordi dell’organo nelle immagini ottenute con la MRI. Ma il sistema ad alta precisione di Moghari permette di ottenere circa 200 sezioni trasversali, che richiederebbero un lavoro manuale di 8-10 ore rendendo quindi l’intero approccio poco pratico, specie in quei casi dove necessario intervenire con urgenza.
La soluzione stata quella di coinvolgere un esperto di anatomia umana che identificasse i bordi dell’organo solamente in alcune delle sezioni trasversali, lasciando quindi agire l’algoritmo anche sulla base di questi nuovi dati di ingresso. Dai vari esperimenti condotti emerso che la segmentazione manuale di 14 sezioni ha permesso all’algoritmo di ottenere un risultato al 90% coerente con la segmentazione effettuata sull’intera raccolta delle sezioni generate dall’MRI. La segmentazione manuale di 3 sezioni ha permesso di arrivare ad una coerenza dell’80%.
“Se qualcuno mi avesse detto di poter segmentare l’intero cuore da 8 sezioni su 200, non ci avrei creduto. E’ stata una sorpresa per noi”. La segmentazione manuale di alcune sezioni e la generazione algoritmica di un modello tridimensionale digitale del cuore richiede circa un’ora di tempo. Il processo di stampa 3D richiede un altro paio d’ore. Attualmente l’algoritmo esamina frammenti di sezioni non segmentate e cerca elementi simili nella pi vicina sezione segmentata. Golland crede che le prestazioni possano essere migliorate se vengono esaminati anche elementi che proseguono trasversalmente tra varie sezioni. Questa variazione dell’algoritmo, assieme ad altre modifiche, sono oggetto di una attivit di ricerca.
Lo studio clinico del prossimo autunno comprender scansioni MRI di 10 pazienti che gi hanno ricevuto un trattamento al Boston Children’s Hospital. Ciascuno dei sette chirurghi disporr dei dati di tutti i pazienti che comprender le scansioni MRI grezze e, su base casuale, un modello fisico o computerizzato ricavato, anch’esso casualmente, da segmentazione manuale o da segmentazione algoritmica. Con i dati a disposizione i chirurghi dovranno delineare i piani di intervento, che saranno successivamente confrontati con la documentazione degli interventi gi eseguiti su ciascun paziente. La speranza che lo studio permetta di capire se i modelli fisici di stampa 3D possano realmente migliorare le pianificazioni chirurgiche.
Sitaram Emani, cardiochirurgo del Boston Children’s Hospital e che non stato coinvolto nella ricerca, ha commentato: “Un modello tridimensionale sarebbe assolutamente d’aiuto. Abbiamo usato questo tipo di modello in pochi pazienti, eseguendo un intervento virtuale sul cuore per simulare condizioni reali. Questo aiuta davvero a ridurre il tempo speso per esaminare il cuore e per compiere le riparazioni. Un sistema come questo dovrebbe ridurre inoltre l’incidenza di lesioni residuali, permettendoci di simulare e pianificare la forma e la dimensione degli impianti che devono essere usati. E la stampa 3D ci permetter di realizzare protesi su misura grazie alla valutazione del modello 3D del cuore. Infine tutto ci semplifica immensamente il rapporto con pazienti e familiari, che spesso sono disorientati dall’anatomia. In questo modo hanno una migliore visione del problema che li aiuta a comprendere meglio le loro condizioni”.
