La simulazione medica nel futuro: un tentativo di visioningn.75, 2017, pp.3401-3406, DOI: 10.4487/medchir2017-75-5.

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Volontè Fabio1 , Ianniello Alessandro2 , Bisson Mario2 , Ingrassia Pier Luigi1

1 Centro Interdipartimentale di Didattica Innovativa e di Simulazione in Medicina e Professioni Sanitarie “SIMNOVA”, Università del Piemonte Orientale, Via Lanino 1, 28100 Novara.

2 Laboratory for Environmental Design and Multisensory Experiences – Dipartimento di Design del Politecnico di Milano

Abstract

La pratica clinica è un componente indispensabile dell’apprendimento e del mantenimento delle competenze in molte delle discipline sanitarie e la simulazione offre l’opportunità di praticare in maniera sicura ed efficace senza rischi per il paziente.

La simulazione nella didattica medica si è già ampiamente evoluta rispetto alle sue fasi iniziali. L’introduzione dei simulatori di pazienti umani, intorno alla fine del XX secolo, rappresenta una tappa fondamentale nella scienza dell’educazione in sanità. Fino ad oggi l’attenzione degli sviluppatori si è concentrata da un lato sulla capacità dei simulatori di dare feedback verosimili e coerenti con il comportamento del paziente e con la fisiologia umana e dall’altro sull’interazione fra simulatore e utilizzatore.

Le emergenti tecnologie nel campo della percezione sensoriale apporteranno miglioramenti significativi sia nella formazione in simulazione che nella gestione della simulazione stessa. Basandosi sull’analisi delle tecnologie attualmente disponibili e in via di sviluppo, questo scritto vuole essere uno sforzo di visioning sul futuro delle tecniche di simulazione. Nano-sensori e nano-attuatori, usati nella realtà aumentata/virtuale/ mista, permetteranno sia la concettualizzazione di sistemi capaci di aumentare il livello di realismo e di immersione sensoriale ma anche di mappare i movimenti e le azioni al fine di generare protocolli univoci di intervento. Proiettandoci in un ipotetico 2025, la simulazione medica sarà un’esperienza democratica, largamente accessibile, dinamica e immersiva a 360°, grazie alle tecniche di implementazione neuro-percettive.

Parole Chiave: simulazione; realtà virtuale; realtà aumentata; training basato sulla simulazione

Summary

Practice is a key component of skills learning and maintenance in many health disciplines and simulation offers the opportunity to practice in a safe and effective manner improving patient safety.

Simulation for healthcare training has already evolved through its initial historical phases. The introduction of human patient simulator toward the end of the 20th century was a milestone in health sciences education.

To date the attention of developers has been paid to the capability of the simulator to give feedback, consistent with patient behavior and physiologic response, and the interaction between simulator and users.

The emerging technologies in the field of sensorial perception will bring improvements both in education and in management of the simulation. Grounding on the analysis of current and under-development technology, the manuscript is an attempt of visioning simulation-based training in health education in a coming future. Nano-sensors and nano-actuators, used in augmented/virtual/mixed reality, will allow the conceptualization of systems increasing the level of realism and the sensorial immersion, and the mapping of movements and action in order to generate univocal protocols of intervention. Projecting ourselves in 2025, medical simulation will be a democratic, largely accessible, dynamic and 360° sensorial experience, thanks to techniques of neuro-perceptive implementation.

Key Words: simulation; virtual reality; augmented reality; simulation-based training

Articolo

Introduzione

“Simulare, simulare, simulare!” Sembra essere questo lo slogan che il mondo medico si è dato come uno dei valori fondanti per la formazione professionale dei soggetti della sanità. Questa tendenza è il risultato di una molteplicità di fattori tecnologici, ma anche etici e sociali che hanno pervaso il mondo del lavoro – non solo in medicina – negli ultimi decenni.

Ogni professionista della salute ha sicuramente bisogno di sperimentare per apprendere e/o mantenere le competenze centrate sul paziente (cura, comunicazione, raccolta d’informazioni), sul processo (gestione del gruppo, delle informazioni) e sull’ambiente (competenze culturali, amministrative e di leadership). A questo si deve poi aggiungere l’aggiornamento ciclico delle procedure sanitarie, l’aumento di conoscenze mediche e la forte diffusione delle tecniche chirurgiche minimamente invasive che, se da un lato hanno garantito il miglioramento della qualità della cura, dall’altro hanno determinato una crescita della complessità delle tecniche di intervento e un conseguente aumento del tempo necessario per apprenderne le procedure.

La simulazione come strumento didattico approda nel settore sanitario durante gli anni ‘70, con una piena diffusione solo vent’anni più tardi. S’impone in particolare l’utilizzo dei manichini umani conosciuti come simulatori dei pazienti standardizzati, ossia di attori addestrati a recitare la parte di malati, ma anche l’uso di sistemi di realtà virtuale 3D, che riproducono su computer o in ambienti dedicati interventi di vario tipo.

Fino ad oggi l’attenzione è stata data alla capacità che ha il manichino/simulatore di trasmettere allo studente feedback, legati al comportamento del paziente simulato e all’interazione che avviene tra studente e manichino.

In queste pagine vogliamo gettare le basi della discussione sul futuro delle tecniche di simulazione, non più come semplici strumenti didattici, ma come esperienze sensoriali che guidano sia lo studente sia l’istruttore. Questa costruzione dell’immagine futura, a partire dalle aspirazioni, dalle necessità, e che si basa sull’offerta tecnologica oggi disponibile e in via di sviluppo, rappresenta il punto di partenza della recente collaborazione fra il Centro Interdipartimentale di Didattica Innovativa e di Simulazione in Medicina e Professioni Sanitarie dell’Università del Piemonte Orientale “SIMNOVA” e il Laboratory for Environmental Design and Multisensory Experiences del Dipartimento di Design del Politecnico di Milano nella creazione delle linee guida per lo sviluppo della simulazione sensoriale.

La simulazione oggi e la necessità dell’esperienza sensoriale I simulatori moderni sono programmati per interagire con l’utente, rispondendo alle sue azioni e combinando sia gli stimoli visivi che quelli tattili, poiché ci si propone di ottenere esperienze simulate sempre più realistiche. I professionisti sanitari hanno bisogno di interagire con una realtà anatomicamente verosimile, ma allo stesso tempo l’ambiente deve adattarsi e modificarsi in risposta allo scenario simulato.1 Finora la percezione sensoriale della simulazione era guidata dal tatto e dalla visiva riproducibilità delle attività gestuali, coniugate all’aspetto ergonomico della simulazione e del simulatore. Dare importanza all’ergonomia significa problematizzare, ad esempio, i bisogni professionali/lavorativi dei soggetti organizzativi per poi tradurli in ambienti ed esperienze soddisfacenti. Ciò significa non solo fornire ambienti confortevoli e compatibili con le caratteristiche fisiologiche delle persone, ma anche favorire lo scambio comunicativo tra queste.

Pertanto oltre al simulatore, anche il setting in cui avviene la simulazione diviene un elemento importante per aumentare il grado di realismo. La riproduzione dell’ambiente non deve essere vista come una rappresentazione statica, ma l’ambiente stesso deve dare stimoli all’utente e modificarsi in base alle sue scelte.

La risposta che ne deriva dalla simulazione, coniugando la realtà trasmessa dal tool e dagli stimoli percepiti intorno a sé, garantisce l’esperienza sensoriale necessaria all’apprendimento. Più sensi sono attivati durante l’esecuzione dell’azione, maggiore è l’immagazzinamento dell’esperienza che ne deriva dall’azione stessa.2 D’altro canto il paradigma per cui percezione, cognizione mentale e apprendimento risultano strettamente connessi è ormai dimostrato3 ed è valorizzato dai recenti studi di Rizzolatti sui neuroni specchio.4,5 L’esperienza sensoriale tecnologica Con l’avvento delle nuove tecnologie si è aperta la possibilità di accedere a una simulazione molto più aderente alla reale situazione di intervento e fruibile da un elevato numero di persone.

A livello visivo la tecnologia deve permettere una visione statica della situazione simulata e una visione dinamica di ciò che vogliamo interagisca con lo studente.

Il feedback tattile è l’elemento fondamentale su cui è basato lo sviluppo dei componenti dei manichini di simulazione. Unito alla vista è ciò che consente la sensazione di realtà di ciò che teniamo in mano.

L’impulso sonoro ha un’importanza notevole nel richiamare l’attenzione dell’utente su quanto sta avvenendo intorno a lui: l’udito ci permette di mantenere controllata una situazione senza vederla, ad esempio il ritmo sinusale trasmesso dal suono del monitor del paziente.

L’olfatto infine è la parte più arcaica dell’istinto animale. Certe risposte al pericolo passano prima dall’apparato olfattivo che dalla capacità visiva di individuare il problema stesso.

Le nuove realtà tecnologiche e la comunicazione tra oggetti In questo momento si può parlare di tre diversi tipi di realtà “parallele” a quella reale: la realtà virtuale, la realtà aumentata e la realtà mista.

Per realtà virtuale si intende un ambiente simulato tramite una serie di tecnologie, che, combinate ad altre stimolazioni sulla persona, come la proiezione di una scena, generano un contesto in cui l’utente è in grado di compiere diverse azioni, ricevendo da esso una risposta. Per la generazione delle immagini realistiche, suoni e altre sensazioni si utilizzano dei software che simulano anche la presenza dell’utente in quest’ ambiente. Una persona che vive questo tipo di esperienza, sarà in grado di guardarsi intorno, di muoversi e interagire con le features o gli oggetti presenti all’interno della scena. Il dialogo tra la persona e la realtà virtuale è resa possibile dall’utilizzo di un casco (o occhiali), generalmente Head Mounted Display (HMD), il cui scopo è quello di tradurre i segnali immagine dei softwares utilizzati, in immagini tridimensionali, che seguano la visuale dell’utente, in modo da generare ambienti a 360° (Fig.1).

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La realtà aumentata consiste in una visione, diretta o indiretta, di un ambiente reale, i cui elementi sono aumentati o modificati da input sensoriali, come stimoli audio-visivi, grafici o dati GPS, generati da un computer. Con l’aiuto di tecnologie avanzate, le informazioni aggiuntive diventano interattive e manipolabili digitalmente. Per essere “visibile”, essa ha bisogno di “device” come smartphone, tablet, computer; oppure, come per la realtà virtuale, vengono utilizzati caschi o occhiali, che applicano la realtà aumentata a tutto l’ambiente all’interno del campo visivo (Fig. 2).

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A differenza della realtà virtuale, il suo “utilizzo” è più semplice e richiede un sistema meno complesso, appoggiandosi all’ambiente reale su cui sono rappresentati gli incrementi digitali; tuttavia ciò comporta un’adesione alla realtà e un’esperienza immersiva di qualità inferiore, dovendo basarsi su ciò che realmente circonda l’utente e non potendo simulare completamente la situazione.

Per realtà mista, s’intende la fusione del mondo reale e di quello virtuale, per produrre un nuovo ambiente e una nuova visualizzazione, dove oggetti fisici e digitali coesistono e interagiscono in tempo reale.

Tra le realtà presentate, quest’ultima è, senza dubbio, la più recente e innovativa: è possibile avere immagini a una risoluzione certamente migliore, rispetto a quelle virtuali e di dimensioni notevolmente superiori, ed è utilizzabile con diversi tipi di “devices”. Per ottenere i risultati desiderati è utilizzato un proiettore che rende visibili le immagini su un materiale semi trasparente, per poi essere riflesse verso l’occhio grazie a una tecnologia di divisione dei raggi luminosi. E’ possibile la presenza simultanea di più persone nello stesso co-ambiente, reale e virtuale, e l’interazione tra essi e gli elementi virtuali presenti in scena, arrivando addirittura a permettere la presenza nel mondo virtuale, senza avere la necessità della presenza fisica nel luogo. Essendo equiparabile a un’evoluzione della realtà aumentata, essa si dota di caratteristiche più performanti, eliminando quell’alone di staticità, grazie all’interazione in tempo reale, tra le componenti virtuali e quelle reali. Presenta gli stessi vantaggi della realtà aumentata nei confronti della realtà virtuale, anche se il suo sviluppo è ancora indietro rispetto alle altre due tecnologie e con un’affidabilità inferiore.

Guardando al futuro però, e a una sua sempre crescente diffusione, essa può risultare la tecnologia a maggiore potenziale.

Una possibile evoluzione dell’uso della Rete è quella che oggi è definita “Internet of Things”: gli oggetti (le “cose”) si rendono riconoscibili e acquisiscono intelligenza grazie al fatto di poter comunicare dati su se stessi e accedere a informazioni aggregate da parte di altri. L’obiettivo dell’internet delle cose è far sì che il mondo elettronico tracci una mappa di quello reale, dando un’identità elettronica alle cose e ai luoghi dell’ambiente fisico.

I Micro Electro-Mechanical Systems (M.E.M.S.) sono un insieme di dispositivi di varia natura (meccanici, elettrici ed elettronici) che costituiscono sistemi “intelligenti” che abbinano funzioni elettroniche, di gestione dei fluidi, ottiche, biologiche, chimiche e meccaniche in uno spazio ridottissimo, integrando la tecnologia dei sensori e degli attuatori e le più diverse funzioni di gestione dei processi (fig. 3).

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L’integrazione di questo tipo di tecnologie all’interno del sistema di strumenti per il training simulato può essere applicata per mappare e normare i comportamenti e le azioni da compiere durante le reali operazioni, per arrivare a creare una prassi univoca d’intervento che garantisca la sicurezza dei pazienti (Fig. 4).

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La visioning per la simulazione medica nel 2025 La simulazione medica del 2025 permetterà la totale immersione esperienziale e sensoriale, facilitando e rendendo assolutamente veritiero ed efficace il training delle équipe. Ciò sarà possibile grazie a tecnologie ancora oggi in fase di sviluppo, come quelle “aptiche”, per consentire i feedback tattili, e neurodevices che consentono di interagire attivamente con interfacce e macchine “intelligenti”, generando simulazioni dinamiche, modificabili a piacimento e in tempo reale, da chi supervisiona l’addestramento, risultando quindi didatticamente efficienti.

Con molta probabilità scomparirà qualsiasi forma di tool “analogico”, come può essere il manichino/simulatore, sostituito da elementi puramente digitali.

Immaginando più nel dettaglio, il nuovo concept di simulazione sarà essenzialmente composto di due diversi tools per l’interazione con gli elementi simulati, uno dedicato a coloro che esperiscono la simulazione (discenti), un altro invece a coloro che la supervisionano e la gestiscono (istruttori/facilitatori), e di un device per generare la realtà mista, che possa essere facilmente trasportabile, in modo da “portare” la simulazione in quanti più ambienti possibili.

Il primo oggetto sarà costituito da due “lenti”, che fungano da interfaccia tra la realtà mista e l’utente e siano attive, nel senso che riescano a vedere ciò che succede durante la simulazione e ciò che è simulato, inviando stimoli all’apparato di attuatori miniaturizzati, presenti sul corpo dell’utente. In questo modo egli sarà dotato di un apparato sensoriale dedicato alla realtà simulata, collegato al corpo stesso e quindi in comunicazione con esso tramite una rete neurale artificiale.

Il device dedicato ai trainers sarà un neurotool, che riprenda e sviluppi le tecnologie utilizzate in strumentazioni come Insight di Emotiv (https://www.emotiv.com/insight/), e che consenta di modificare dinamicamente la simulazione, in modo da rendere più veritiera l’evoluzione di un qualsiasi intervento o azione, e aumentare il livello di difficoltà con variabili sempre diverse. Lo strumento che genera la realtà mista dovrà essere utilizzabile in qualsiasi ambiente, senza dover essere legato a dimensioni ambientali. Sarà inoltre in grado di raccogliere e processare i dati sensibili per generare feedback automatici utilizzabili anche a scopo di ricerca.

Perché la simulazione diventi veramente imprescindibile strumento di formazione in tutti i campi della sanità un ruolo chiave verrà giocato dalla sua accessibilità: se i tools utilizzati saranno disponibili per un vasto numero di persone, i progressi nella gestione e della cura dei pazienti saranno globali e molto rapidi.

Altro obiettivo non trascurabile è la creazione di una prassi, una normativa di comportamento che i medici e tutti gli operatori della salute dovranno seguire per risultare altamente efficienti. Questo sarà possibile mappando sia gli oggetti sia coloro che simulano e incrociando i dati ottenuti, perché si individuino le posizioni, i movimenti e le azioni corrette da eseguire, a seconda della specifica situazione.

Il ruolo dell’Accademia In questa visione futuristica della simulazione, non può mancare il ruolo dei diversi stakeholders, che potremmo ricondurre all’area medica, tecnologica, della progettazione e, infine, governativa.

All’interno dell’area medicale si ritrovano i centri di simulazione e i poli universitari e di ricerca, che, in uno scenario di co-creazione, si identificheranno come prosumer, ossia non si limiteranno al ruolo passivo di consumatori o fruitori della simulazione, ma parteciperanno attivamente alle diverse fasi del processo produttivo contribuendone in maniera sensibile.

Essi infatti rientrano anche nell’area della progettazione assumendo il compito di regia e permettendo la comunicazione tra i diversi soggetti, che non parlano lo stesso linguaggio – a causa della forte struttura verticale del loro know-how – e che necessitano, dunque, di una figura in grado di gestire la complessità progettuale in tutti i suoi ambiti. Nell’area tecnologica ricadono, ovviamente, le aziende che forniranno le tecnologie necessarie allo sviluppo di progetti, con le quali si istituirà un rapporto di condivisione e di scambio, tra mezzi (tecnologia) ed esperienza. Le istituzioni governative infine rappresentano quegli indiretti committenti del progetto, che dovrebbero investire capitali, insieme alle aziende di tecnologie, per lo sviluppo e la diffusione del prodotto con lo scopo ultimo di promuovere e garantire la sicurezza dei pazienti.

Bibliografia

  1. Dieckmann, P. (2008). How much realism is needed in medical simulation? Presentation at the International Meeting on Simulation in Healthcare, San Diego, Ca.
  2. Shams L, Seitz AR. Benefits of multisensory learning. Trends Cogn Sci. 2008 Nov;12(11):411-7
  3. Berthoz A. Il senso del Movimento. 1998. Mcgraw- Hill, Milano
  4. Rizzolatti G, Sinigaglia C. So quel che fai. Il cervello che agisce e i neuroni specchio. 2006. Raffaello Cortina Editore, Milano
  5. Rizzolatti G, Vozza L. Nella mente degli altri. 2008. Zanichelli, Bologna

Cita questo articolo

Volonté F., Iannello A., Bisson M., Ingrassia P.L., La simulazione medica nel futuro: un tentativo di visioning, Medicina e Chirurgia, 75: 3401-3406, 2017. DOI: 10.4487/medchir2017-75-5

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