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Aug 22, 2023

Una piattaforma di misurazione della forza per un simulatore chirurgico vitreoretinico che utilizza un modulo per occhio artificiale integrato con un risonatore a cristalli di quarzo

Microsystems & Nanoengineering

Microsistemi e nanoingegneria volume 8, numero articolo: 74 (2022) Citare questo articolo

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Per fornire un feedback quantitativo sui progressi chirurgici agli oftalmologi che praticano il peeling della membrana limitante interna (ILM), abbiamo sviluppato un modulo per l'occhio artificiale comprendente un sensore di forza del risonatore a cristalli di quarzo (QCR) e un corpo di deformazione che funge da trasmettitore di forza uniforme sotto un modello retinale. Sebbene sia necessario caricare una forza iniziale sufficientemente grande sul gruppo del sensore di forza QCR per ottenere un contatto stabile con il corpo di deformazione, l'elevata sensibilità e l'ampio range dinamico di questo sensore consentono al modulo oculare di rilevare la leggera forza di contatto della pinza. Un corpo di deformazione a piastre parallele viene utilizzato per ottenere una sensibilità alla forza uniforme sulla regione di pelatura dell'ILM di 4 mm di diametro. La combinazione di questi due componenti ha consentito un intervallo di forza misurabile compreso tra 0,22 mN e 29,6 N con un errore di sensibilità compreso tra −11,3 e 4,2% sull'area di distacco dell'ILM. Utilizzando questo modulo oculare, abbiamo misurato la forza applicata durante una simulazione che prevedeva il peeling ILM artificiale da parte di un individuo non addestrato e abbiamo compensato la deriva a lungo termine dei dati di forza ottenuti utilizzando un algoritmo di nuova concezione. I dati della forza compensata hanno catturato chiaramente le caratteristiche di diversi tipi di sequenze di movimento osservate dalle registrazioni video del fondo dell'occhio utilizzando un microscopio oftalmologico. Di conseguenza, siamo riusciti a estrarre valori di caratteristiche che possono essere potenzialmente correlati al livello di abilità del tirocinante, come la media e la deviazione standard delle forze di spinta e pelatura, corrispondenti, nel caso di un operatore non addestrato, a 122,6 ± 95,2 e 20,4 ± 13,2 mN, rispettivamente.

Gli oftalmologi che praticano la chirurgia intraoculare devono acquisire competenze sofisticate per evitare di ferire i pazienti. Per esercitare le proprie capacità, gli oftalmologi generalmente eseguono dimostrazioni chirurgiche utilizzando occhi di animali; tuttavia, alcune di queste strutture non assomigliano alle strutture degli occhi umani. Altri approcci formativi prevedono l'imitazione delle tecniche degli esperti senza l'uso di segnali di sensazioni tattili quantitative. I formatori esperti spiegano anche le competenze necessarie per l'intervento chirurgico in senso empirico senza indici quantitativi. Un'ulteriore opzione è l'uso di simulatori di realtà virtuale1, la maggior parte dei quali sono costosi e non forniscono una sensazione tattile precisa relativa alla vera sostanza dell'occhio umano, importante per migliorare l'abilità chirurgica2. Queste carenze di formazione significano che i pazienti sottoposti a interventi chirurgici intraoculari corrono rischi relativamente elevati di danni alla retina che dipendono dall’abilità di un oculista.

Per risolvere questo problema, abbiamo tentato di migliorare i modelli mock-up comuni3,4,5 sviluppando un "Bionic Eye Surgery Evaluator (Bionic-EyE)"6,7,8 come modello di formazione in grado di riprodurre bionicamente le proprietà dell'occhio umano occhi con materiali artificiali. Il Bionic-EyE è dotato di sensori per la valutazione delle abilità chirurgiche e comprende un modulo per l'occhio artificiale con parti monouso che consentono ai tirocinanti di eseguire simulazioni chirurgiche ripetute (Fig. 1a). Il feedback quantitativo dai segnali dei sensori prodotti dal Bionic-EyE consente la rapida acquisizione di abilità chirurgiche. Essendo un intervento chirurgico che può essere addestrato con Bionic-EyE, ci siamo concentrati sul peeling della membrana limitante interna (ILM), un complicato intervento chirurgico vitreoretinico. Come mostrato in Fig. 1b, l'ILM è una membrana sottile e trasparente situata tra la corteccia vitrea e la retina9. La parte posteriore della retina è chiamata macula ed è responsabile di gran parte del campo visivo fisiologico. La parte centrale della macula è chiamata fovea, che ha un'alta densità di fotorecettori conici ed è responsabile della visione fotopica dei colori con elevata acuità10. Con l’invecchiamento degli esseri umani, il materiale vitreo in queste regioni si liquefa e si contrae, portando infine al distacco della corteccia vitreale posteriore dall’ILM della retina nella maggior parte degli individui11. Se la liquefazione supera il grado di deiscenza vitreoretinica, un frammento del vitreo può rimanere sulla macula (membrana epiretinica) oppure può essere praticato un foro attraverso la fovea (foro maculare) a seguito della trazione adesiva tra la corteccia vitreale posteriore e la fovea12 (Fig. 1b). Questi effetti portano direttamente al deterioramento della vista. Poiché la retina morbida attorno al foro viene tirata dall'ILM, che è spessa e rigida negli individui anziani13, il foro maculare formato da questo processo non si chiude naturalmente. Per trattare questa condizione, l'ILM viene generalmente rimosso, come mostrato e riprodotto dal Bionic-EyE6 in Fig. 1c. In alcune procedure chirurgiche di peeling ILM sono stati segnalati aumenti nella chiusura del foro maculare e diminuzioni nel tasso di recidiva14,15,16,17. Il peeling dell'ILM, che ha uno spessore di 3 µm18 e aderisce alla retina, richiede ovviamente competenze ben maturate nell'applicare la forza adeguata sulla zona interessata. Tuttavia, in letteratura non si discute sull'uso dei sensori di forza nei modelli di addestramento, sebbene sia stato tentato l'uso di pinze dotate di estensimetri19,20 o sensori di forza a reticolo di Bragg in fibra21,22,23,24. Per la dimostrazione pratica della chirurgia intraoculare, l'abilità necessaria per eseguire il peeling ILM dovrebbe essere quantificata senza aggiungere sensori alla pinza. Il nostro modulo per l'occhio artificiale incorpora un sensore di forza del risonatore a cristalli di quarzo (QCR) e un corpo di deformazione come trasmettitore di forza uniforme sotto un modello ILM biomimetico, che è monouso per consentire un uso ripetuto7,8.