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In chirurgia, la visualizzazione 3D può essere utilizzata per l'istruzione, le diagnosi, la pianificazione pre-operatoria e la valutazione post-operatoria1,2. La percezione realistica della profondità può migliorare la comprensione3,4,5,6 di anatomie normali e anormali. Semplici registrazioni video 2D di procedure chirurgiche sono un buon inizio. Tuttavia, la mancanza di percezione della profondità può rendere difficile per i colleghi non chirurgici comprendere appieno le relazioni antero-posteriori tra diverse strutture anatomiche e quindi introdurre anche un rischio di interpretazione errata dell'anatomia7,8,9,10.
L'esperienza di visualizzazione 3D è influenzata da cinque fattori: (1) La configurazione della telecamera può essere parallela o integrata come mostrato nella Figura 1, (2) Distanza di base (la separazione tra le telecamere). (3) Distanza dall'oggetto di interesse e altre caratteristiche della scena come lo sfondo. (4) Caratteristiche dei dispositivi di visualizzazione come le dimensioni dello schermo e la posizione di visualizzazione1,11,12,13. (5) Preferenze individuali degli spettatori14,15.
La progettazione di una configurazione della fotocamera 3D inizia con l'acquisizione di video di prova registrati a varie distanze e configurazioni di base della telecamera da utilizzare per la valutazione soggettiva o automatica16,17,18,19,20. La distanza della fotocamera deve essere costante rispetto al campo chirurgico per acquisire immagini nitide. La messa a fuoco fissa è preferita perché l'autofocus si regola per mettere a fuoco mani, strumenti o teste che potrebbero entrare in vista. Tuttavia, questo non è facilmente realizzabile quando la scena di interesse è il campo chirurgico. Le sale operatorie sono aree ad accesso limitato perché queste strutture devono essere mantenute pulite e sterili. Attrezzature tecniche, chirurghi e infermieri di scrub sono spesso raggruppati strettamente attorno al paziente per garantire una buona panoramica visiva e un flusso di lavoro efficiente. Per confrontare e valutare l'effetto delle posizioni della telecamera sull'esperienza di visualizzazione 3D, una gamma di test completa delle posizioni della telecamera deve registrare la stessa scena perché le caratteristiche dell'oggetto come forma, dimensioni e colore possono influire sull'esperienza di visione 3D21.
Per lo stesso motivo, le gamme di test complete delle posizioni della telecamera devono essere ripetute su diverse procedure chirurgiche. L'intera sequenza di posizioni deve essere ripetuta con elevata precisione. In un ambiente chirurgico, i metodi esistenti che richiedono la regolazione manuale della distanza di base22 o diverse coppie di telecamere con distanze fisse di base23 non sono fattibili a causa di vincoli di spazio e tempo. Per affrontare questa sfida, è stata progettata questa soluzione robotizzata.
I dati sono stati raccolti con un robot industriale collaborativo a doppio braccio montato nel soffitto della sala operatoria. Le telecamere sono state attaccate ai polsi del robot e spostate lungo una traiettoria a forma di arco con una distanza di base crescente, come mostrato nella Figura 2.
Per dimostrare l'approccio, sono state registrate 10 serie di test da 4 diversi pazienti con 4 diversi difetti cardiaci congeniti. Le scene sono state scelte quando una pausa in chirurgia era fattibile: con i cuori che battono appena prima e dopo la riparazione chirurgica. Le serie sono state fatte anche quando i cuori sono stati arrestati. Gli interventi chirurgici sono stati sospesi per 3 minuti e 20 secondi per raccogliere quaranta 5-ssequence con diverse distanze di convergenza della fotocamera e distanze di base per catturare la scena. I video sono stati successivamente post-elaborati, visualizzati in 3D per il team clinico, che ha valutato quanto fosse realistico il video 3D su una scala da 0 a 5.
Il punto di convergenza per le telecamere stereo toed-in è dove si incontrano i punti centrali di entrambe le immagini. Il punto di convergenza può, in linea di principio, essere posizionato davanti, all'interno o dietro l'oggetto, vedi Figura 1A-C. Quando il punto di convergenza si trova di fronte all'oggetto, l'oggetto verrà catturato e visualizzato a sinistra della linea mediana per l'immagine della fotocamera sinistra e a destra della linea mediana per l'immagine della fotocamera destra (Figura 1A). Il contrario si applica quando il punto di convergenza è dietro l'oggetto (Figura 1B). Quando il punto di convergenza è sull'oggetto, l'oggetto apparirà anche nella linea mediana delle immagini della fotocamera (Figura 1C), che presumibilmente dovrebbe produrre la visione più comoda poiché non è necessario strizzare gli occhi per unire le immagini. Per ottenere un comodo video 3D stereo, il punto di convergenza deve essere posizionato sopra, o leggermente dietro, l'oggetto di interesse, altrimenti lo spettatore è tenuto a strizzare volontariamente gli occhi verso l'esterno (esotropia).
I dati sono stati raccolti utilizzando un robot industriale collaborativo a doppio braccio per posizionare le telecamere (Figura 2A-B). Il robot pesa 38 kg senza attrezzatura. Il robot è intrinsecamente sicuro; quando rileva un impatto imprevisto, smette di muoversi. Il robot è stato programmato per posizionare le telecamere da 5 Megapixel con obiettivi con innesto C lungo una traiettoria a forma di arco fermandosi a distanze di base predeterminate (Figura 2C). Le telecamere sono state attaccate alle mani del robot utilizzando piastre adattatori, come mostrato nella Figura 3. Ogni telecamera ha registrato a 25 fotogrammi al secondo. Le lenti sono state impostate a f-stop 1/8 con messa a fuoco fissa sull'oggetto di interesse (centro geometrico approssimativo del cuore). Ogni fotogramma dell'immagine aveva un timestamp che veniva utilizzato per sincronizzare i due flussi video.
Gli offset tra il polso del robot e la fotocamera sono stati calibrati. Ciò può essere ottenuto allineando il mirino delle immagini della fotocamera, come mostrato nella Figura 4. In questa configurazione, l'offset traslazionale totale dal punto di montaggio sul polso del robot e dal centro del sensore di immagine della telecamera era di 55,3 mm nella direzione X e 21,2 mm nella direzione Z, visualizzati nella Figura 5. Gli offset rotazionali sono stati calibrati a una distanza di convergenza di 1100 mm e una distanza di base di 50 mm e regolati manualmente con il joystick sul pannello di controllo del robot. Il robot in questo studio aveva una precisione specificata di 0,02 mm nello spazio cartesiano e una risoluzione rotazionale di 0,01 gradi24. Con un raggio di 1100 m, una differenza d'angolo di 0,01 gradi compensa il punto centrale di 0,2 mm. Durante il movimento completo del robot da 50-240 mm di separazione, il mirino di ogni telecamera era entro 2 mm dal centro ideale di convergenza.
La distanza di base è stata aumentata gradualmente dalla separazione simmetrica delle telecamere attorno al centro del campo visivo con incrementi di 10 mm compresi tra 50 e 240 mm (Figura 2). Le telecamere sono state tenute ferme per 5 s in ogni posizione e spostate tra le posizioni ad una velocità di 50 mm/s. Il punto di convergenza può essere regolato nelle direzioni X e Z utilizzando un'interfaccia utente grafica (Figura 6). Il robot ha seguito di conseguenza all'interno del suo raggio di lavoro.
L'accuratezza del punto di convergenza è stata stimata utilizzando i triangoli uniformi e i nomi delle variabili nella Figura 7A e B. L'altezza 'z' è stata calcolata dalla distanza di convergenza 'R' con il teorema di Pitagora come

Quando il punto di convergenza reale era più vicino del punto desiderato, come mostrato nella Figura 7A, la distanza di errore 'f1' è stata calcolata come

Allo stesso modo, quando il punto di convergenza era distale al punto desiderato, la distanza di errore 'f2' veniva calcolata come

Qui, 'e' era la massima separazione tra il mirino, al massimo 2 mm alla massima separazione della linea di base durante la calibrazione (D = 240 mm). Per R = 1100 mm (z = 1093 mm), l'errore era inferiore a ± 9,2 mm. Per R = 1400 mm (z = 1395 mm), l'errore è stato ± 11,7 mm. Cioè, l'errore del posizionamento del punto di convergenza era entro l'1% del desiderato. Le due distanze di prova di 1100 mm e 1400 mm erano quindi ben separate.