Haptic Virtual Palpation of Volumetric CT: A Density-to-Force Rendering Method andIts Technical Characterisation

In un dipartimento di radiologia ospedaliera, un medico guarda uno schermo del computer per vedere l'interno del corpo di un paziente. Le immagini provengono da uno scanner TC, una macchina che utilizza i raggi X per creare una mappa tridimensionale dei tessuti. Su questa mappa, ogni minuscolo punto ha un numero che indica al computer quanto il tessuto blocca i raggi X. L'osso denso blocca molto e ottiene un numero alto; il muscolo tenero blocca meno e ottiene un numero più basso; l'aria non blocca quasi nulla e ottiene un numero molto basso. Per decenni, i medici hanno usato i propri occhi per leggere questi numeri e comprendere la struttura del corpo. Ma quando un medico esamina un paziente di persona, non si limita a guardare; tocca. Preme sulla pelle per sentire se un organo è duro o morbido, un indizio cruciale che un'immagine piatta non può fornire. La sfida per gli ingegneri è stata quella di dare a un medico il senso del tatto mentre guarda un'immagine digitale, permettendogli di "sentire" le ossa e gli organi virtuali su uno schermo come se fossero reali.

Un team di ricercatori della Jade University of Applied Sciences in Germania ha costruito un sistema che tenta di risolvere questo problema. Hanno creato un metodo che trasforma i numeri di densità di una scansione TC direttamente in una sensazione di resistenza. Quando un utente muove una speciale stilo, a forma di penna e collegata a un computer, attraverso una scansione TC virtuale, il dispositivo spinge indietro contro la sua mano. Più il tessuto è duro nella scansione, più il dispositivo spinge indietro. Questo non è un semplice trucco per far sì che tutto sembri uguale; il sistema è progettato per distinguere tra diversi tipi di tessuto, come grasso, fluido, organi molli e ossa, cambiando la rigidità della superficie virtuale in tempo reale. I ricercatori volevano sapere se questa traduzione diretta dai dati dell'immagine alla forza fisica funzioni effettivamente abbastanza bene da essere utile, e se il computer possa aggiornare la sensazione abbastanza velocemente da risultare fluida e naturale.

Per testare la loro idea, il team ha utilizzato un dispositivo aptico standard, un braccio robotico che può spingere e tirare la mano di un utente, collegato a un computer che esegue una simulazione di scansioni TC addominali. Non hanno utilizzato pazienti reali o modelli fisici di tessuto. Invece, hanno programmato una sonda virtuale per muoversi attraverso cinque diverse scansioni TC pubbliche, tracciando percorsi attraverso il corpo virtuale. Mentre la sonda si muoveva, il computer calcolava quanta forza applicare in base alla densità del tessuto in quel punto esatto. Il sistema utilizza una regola specifica per decidere quanto il tessuto debba sembrare rigido. Tratta i numeri di densità come una serie di gradini. Ad esempio, assegna una specifica rigidità al grasso, una diversa al fluido e un'altra agli organi molli. Interessante è che i ricercatori hanno programmato il sistema affinché il fluido sembrasse più morbido del grasso, anche se il grasso è meno denso del fluido nei dati della scansione; questa è stata una scelta deliberata per corrispondere alla realtà fisica secondo cui una sonda affonda facilmente nel fluido libero ma incontra più resistenza nel tessuto adiposo, dimostrando che il sistema dà priorità a come un medico si aspetta di sentire il corpo rispetto a un rigoroso ordine matematico dei numeri.

I risultati della simulazione hanno mostrato che il sistema può creare con successo una chiara differenza tra tessuti molli e sodi. Quando la sonda virtuale si muoveva attraverso le bande più morbide, come il grasso o il fluido, la forza percepita era molto leggera, misurata in millesimi di Newton. Quando si muoveva in aree più sode, come organi molli o tessuto calcificato, la resistenza aumentava significamente. La differenza tra i tessuti più morbidi e quelli più sodi era abbastanza grande da essere chiaramente distinta nei dati, con i tessuti sodi che risultavano circa venti-sessantotto millesimi di Newton più duri rispetto a quelli morbidi. Questa separazione è stata costante in tutte e cinque le diverse scansioni TC testate. Tuttavia, i ricercatori hanno riscontrato un limite significativo quando la sonda toccava i materiali più densi, come l'osso. Il dispositivo ha un limite di sicurezza su quanto possa spingere per evitare che tremi o vibri in modo incontrollato. Poiché l'osso nelle scansioni era così denso, la forza necessaria per percepirlo correttamente ha raggiunto questo limite di sicurezza. Di conseguenza, il sistema non è riuscito a mostrare completamente la differenza tra il tessuto calcificato molto duro e l'osso; entrambi sembravano quasi uguali perché il dispositivo era limitato al suo massimo spinta.

Lo studio ha anche esaminato quanto velocemente il sistema potesse aggiornare la sensazione. Per far sì che una sensazione tattile sia fluida e reale, il computer deve ricalcolare la forza centinaia di volte al secondo. I ricercatori hanno scoperto che il loro sistema aggiornava la forza tra 213 e 278 volte al secondo. Sebbene questo sia abbastanza veloce per essere interattivo, è più lento del motore interno del dispositivo, che esegue 1.000 aggiornamenti al secondo. Questo divario significa che, quando l'utente tocca una superficie molto rigida, la forza sembra un po' a scatti o irregolare, il che può causare una sensazione di vibrazione. I ricercatori hanno osservato che, se avessero permesso al dispositivo di spingere più forte, la differenza tra i tessuti densi sarebbe stata molto più chiara, ma sono stati costretti a mantenere la forza bassa per evitare tale vibrazione. Hanno concluso che il metodo funziona bene in una simulazione al computer per separare i tessuti molli dai tessuti sodi, ma le attuali impostazioni di sicurezza nascondono le differenze tra i tessuti più duri.

In definitiva, il lavoro dimostra che è possibile trasformare una scansione TC in un'esperienza tattile dove un medico può sentire la differenza tra un organo morbido e un osso duro. Il sistema ha tradotto con successo i dati dell'immagine in una forza che una mano umana può percepire, creando una distinzione chiara tra aree morbide e sode. L'ostacolo principale non è il modo in cui l'immagine viene convertita in forza, ma piuttosto i limiti di sicurezza dell'attuale hardware, che impediscono al dispositivo di mostrare l'intero intervallo di durezza presente nel corpo. I ricercatori suggeriscono che, se riuscissero a misurare la stabilità del dispositivo in modo più preciso e a consentire forze più elevate senza la vibrazione, il sistema potrebbe diventare uno strumento potente per i medici per modificare e verificare i modelli 3D degli organi, aggiungendo il senso del tatto alle informazioni visive su cui già fanno affidamento.