Sviluppo di un setup basato su Microsoft HoloLens ed Azure Kinect per la registrazione automatica di ologrammi 3D paziente-specifico in supporto alle procedure di infiltrazione spinale

Lumbar spinal injection is a well-established procedure for sciatic pain treatment mainly due to diseases such as herniated discs, facet joint syndrome, and spinal canal stenosis. During the procedure, the surgeon injects local anesthetics, corticosteroids, or ozone into the lower back aided by pre-procedural CT or fluoroscopic image guidance. Despite the use of intra-operative fluoroscopic image guidance can be helpful for the surgeon, it gives rise to a series of limitations. The main ones concern the high radiation dose to which patients and operators are subjected and the risk of inaccuracies in positioning the needle due to either the doctor's change in perspective, from the display with images to the operating field, and the difficulties to interpret a 3D anatomy on a 2D fluoroscopic image. Extended reality (XR) and in particular mixed reality (MR) are proposed as possible solutions to the problems raised by conventional techniques. Mixed reality, through HMD (Head-Mounted-Display) allows simultaneous visualization and interaction with virtual objects projected into the physical world. To fully benefit from the advantages of this technology, accurate alignment between the holograms representing the patient’s anatomy and the patient itself needs to exist during the procedural injection. The application proposed in this work deals with the automatic registration of 3D holograms, obtained from the segmentation of volumetric clinical images, on a phantom which contains the lumbar region of a 3D printed spine. The developed setup makes use of a fixed depth camera, Azure Kinect, and a mixed reality HMD, HoloLens 2 properly calibrated. The registration procedure to align the hologram to the patient is markerless since the spatial information about the surface of interest is obtained without the use of any marker. This feature represents a great advantage. Indeed, marker-based solutions have two main drawbacks: 1. Physical markers cannot be applied retrospectively as they must be attached to the skin of the patient before the pre-interventional images; 2. they cause a time-consuming process not always preferable in a clinical scenario.

L’infiltrazione spinale lombare è una procedura consolidata per il trattamento del dolore sciatico, dovuto principalmente a patologie come l’ernia discale, la sindrome delle faccette articolari e la stenosi del canale vertebrale. Durante il procedimento, il medico inietta anestetici locali, corticosteroidi o ozono nella parte bassa della schiena guidato da immagini TC o fluoroscopiche, acquisite prima dell’iniezione. Sebbene l’impiego della guida intraoperatoria fluoroscopica possa essere utile al dottore, porta con sé una serie di limitazioni. Le principali riguardano l’alta dose di radiazioni a cui sono sottoposti operatore e paziente e il rischio di inaccuratezza nel posizionamento dell’ago dovuto sia al cambio di prospettiva del medico, dal display con le immagini al campo operatorio, sia alla difficoltà di interpretare l’anatomia tridimensionale da immagini 2D. La realtà estesa (XR) ed in particolare la realtà mista (MR), si propongono come possibile risposta alle problematiche suscitate dalle tecniche convenzionali. La realtà mista permette la contemporanea visualizzazione ed interazione con oggetti virtuali proiettati, attraverso visori, nel mondo fisico. Per beneficiare appieno dei vantaggi di questa tecnologia, deve persistere, durante la procedura infiltrativa, un accurato allineamento fra gli ologrammi, rappresentanti l’anatomia del paziente, e il paziente stesso. L’applicazione proposta consiste nella registrazione automatica di ologrammi 3D, ricavati dalla segmentazione di immagini cliniche volumetriche, su un manichino contenente la regione lombare di una colonna stampata in 3D, che rappresenti il paziente. Il setup sviluppato fa uso di una camera di profondità fissa, Azure Kinect, ed un visore di realtà mista, HoloLens 2 opportunamente calibrati. La procedura di registrazione per allineare l’ologramma avviene senza l’utilizzo di markers. Questa peculiarità è un notevole vantaggio. Infatti, le soluzioni basate su markers hanno due principali punti deboli: 1. I marker fisici non possono essere applicati retrospettivamente dato che devono essere applicati sulla pelle del paziente prima dell’acquisizione delle immagini preoperatorie; 2. Il loro utilizzo causa un allungamento dei tempi di procedura non sempre compatibile in uno scenario clinico.