Objective Rating via Kinematic and Eye-tracking in Surgical Training: Resident Ability Assessment
ProgettoIl progetto di ricerca **ORKESTRAA** (**O**bjective **R**ating via **K**inematic and **E**ye-tracking in **S**urgical **T**raining: **R**esident **A**bility **A**ssessment) mira a definire un **framework standardizzato e multicentrico** per supportare la valutazione delle competenze chirurgiche attraverso dati oggettivi. Questo sistema potrebbe essere utilizzato nella formazione degli specializzandi a livello nazionale e internazionale, facilitandone la mobilità e la collaborazione.
La formazione dei chirurghi presenta una **ripida curva di apprendimento**, dovuta all’elevato livello di coordinazione visuo-motoria richiesto e, nel caso dell’artroscopia, alla necessità di operare sulla base di proiezioni bidimensionali e con un feedback ridotto. La formazione tradizionale in sala operatoria comporta un prolungamento della durata degli interventi e un aumento dei costi chirurgici. Le simulazioni rappresentano un ambiente di apprendimento sicuro, ma non sempre sono in grado di cogliere e riprodurre adeguatamente le prestazioni cognitive richieste. Inoltre, le scale di valutazione manuali standard, quali **OSATS** e **ASSET**, richiedono un notevole impiego di risorse e sono soggette a variabilità tra i valutatori.
Il progetto propone la realizzazione di un sistema basato su un **setup di tracciamento non invasivo**, che combini unità di misura inerziale (IMU) wireless applicate agli arti superiori e occhiali per l’eye-tracking con tecniche di computer vision markerless, al fine di registrare in tempo reale le traiettorie dei movimenti e il carico cognitivo. Il sistema sarà applicato a sessioni di training relative a differenti procedure chirurgiche, consentendo una misurazione oggettiva delle competenze del soggetto in formazione. Il suo sviluppo si baserà sulle competenze e sull’esperienza specifica del consorzio.
Il centro di ricerca **RITMO** è una realtà congiunta dell’Università degli Studi di Brescia e degli Spedali Civili di Brescia, focalizzata sull’innovazione interdisciplinare nella formazione chirurgica ortopedica e fondata sull’integrazione delle competenze di ricercatori in ambito medico e ingegneristico. Le precedenti attività di ricerca condotte in questo settore e questa stretta interconnessione interdisciplinare forniranno le competenze fondamentali per lo sviluppo del progetto.
Gli altri tre centri (**Istituto Rizzoli di Bologna, Università di Ancona e Università di Torino**) vantano una comprovata esperienza nell’integrazione di soluzioni innovative in ambito ortopedico e metteranno a disposizione le proprie competenze su specifiche procedure chirurgiche ad alto impatto sulla pratica clinica: **ricostruzione del legamento crociato anteriore, microchirurgia della mano, chirurgia della cuffia dei rotatori e protesi di ginocchio**.
L’elemento innovativo centrale consiste nella **fusione dei dati provenienti da diversi sensori (sensor fusion)**, integrando i parametri cinematici con i flussi di dati relativi allo sguardo (eye-gaze), al fine di quantificare la **coordinazione occhio-mano (visuo-motoria)** e la destrezza e, quindi, valutare in maniera oggettiva il livello di competenza dei soggetti durante il loro percorso formativo.
La validazione del sistema seguirà il seguente percorso: **(i)** confronto dei profili multisensore di coorti di specializzandi con i valori di riferimento ottenuti da chirurghi esperti; **(ii)** confronto delle prestazioni dei chirurghi esperti in condizioni di dry lab e in sala operatoria durante interventi reali; **(iii)** analisi delle correlazioni statistiche tra le metriche ottenute e le checklist di valutazione standard.
I potenziali rischi di implementazione, quali l’eterogeneità anatomica, saranno affrontati mediante la **segmentazione degli interventi in micro-task ripetibili**. L’avanzamento del progetto sarà monitorato attraverso milestone e **Key Performance Indicators (KPI)**. I risultati finali saranno integrati nei protocolli formativi delle unità partecipanti e divulgati agli stakeholder.
La formazione dei chirurghi presenta una **ripida curva di apprendimento**, dovuta all’elevato livello di coordinazione visuo-motoria richiesto e, nel caso dell’artroscopia, alla necessità di operare sulla base di proiezioni bidimensionali e con un feedback ridotto. La formazione tradizionale in sala operatoria comporta un prolungamento della durata degli interventi e un aumento dei costi chirurgici. Le simulazioni rappresentano un ambiente di apprendimento sicuro, ma non sempre sono in grado di cogliere e riprodurre adeguatamente le prestazioni cognitive richieste. Inoltre, le scale di valutazione manuali standard, quali **OSATS** e **ASSET**, richiedono un notevole impiego di risorse e sono soggette a variabilità tra i valutatori.
Il progetto propone la realizzazione di un sistema basato su un **setup di tracciamento non invasivo**, che combini unità di misura inerziale (IMU) wireless applicate agli arti superiori e occhiali per l’eye-tracking con tecniche di computer vision markerless, al fine di registrare in tempo reale le traiettorie dei movimenti e il carico cognitivo. Il sistema sarà applicato a sessioni di training relative a differenti procedure chirurgiche, consentendo una misurazione oggettiva delle competenze del soggetto in formazione. Il suo sviluppo si baserà sulle competenze e sull’esperienza specifica del consorzio.
Il centro di ricerca **RITMO** è una realtà congiunta dell’Università degli Studi di Brescia e degli Spedali Civili di Brescia, focalizzata sull’innovazione interdisciplinare nella formazione chirurgica ortopedica e fondata sull’integrazione delle competenze di ricercatori in ambito medico e ingegneristico. Le precedenti attività di ricerca condotte in questo settore e questa stretta interconnessione interdisciplinare forniranno le competenze fondamentali per lo sviluppo del progetto.
Gli altri tre centri (**Istituto Rizzoli di Bologna, Università di Ancona e Università di Torino**) vantano una comprovata esperienza nell’integrazione di soluzioni innovative in ambito ortopedico e metteranno a disposizione le proprie competenze su specifiche procedure chirurgiche ad alto impatto sulla pratica clinica: **ricostruzione del legamento crociato anteriore, microchirurgia della mano, chirurgia della cuffia dei rotatori e protesi di ginocchio**.
L’elemento innovativo centrale consiste nella **fusione dei dati provenienti da diversi sensori (sensor fusion)**, integrando i parametri cinematici con i flussi di dati relativi allo sguardo (eye-gaze), al fine di quantificare la **coordinazione occhio-mano (visuo-motoria)** e la destrezza e, quindi, valutare in maniera oggettiva il livello di competenza dei soggetti durante il loro percorso formativo.
La validazione del sistema seguirà il seguente percorso: **(i)** confronto dei profili multisensore di coorti di specializzandi con i valori di riferimento ottenuti da chirurghi esperti; **(ii)** confronto delle prestazioni dei chirurghi esperti in condizioni di dry lab e in sala operatoria durante interventi reali; **(iii)** analisi delle correlazioni statistiche tra le metriche ottenute e le checklist di valutazione standard.
I potenziali rischi di implementazione, quali l’eterogeneità anatomica, saranno affrontati mediante la **segmentazione degli interventi in micro-task ripetibili**. L’avanzamento del progetto sarà monitorato attraverso milestone e **Key Performance Indicators (KPI)**. I risultati finali saranno integrati nei protocolli formativi delle unità partecipanti e divulgati agli stakeholder.