Immagina di avere due palloncini. Uno è pieno d'acqua e l'altro d'aria. Sembrano uguali, ma se li spingi, ognuno si sentirà molto diverso. Ecco come si sentono gli organi da un medico. Quando un paziente ha bisogno di una biopsia con ago, o di un drenaggio della cistifellea, o di un'iniezione di cortisone alla colonna vertebrale o di un catetere venoso, il medico che inserisce un ago deve essere in grado di sentire l'accumulo e il rilascio di pressione mentre l'ago spinge dentro, e infine fora ogni tessuto successivo.
"Il carattere del tessuto ti dà un feedback di forza, e il tuo cervello lo capisce, e può usarlo per interpretare molte cose diverse", afferma David Han, professore di chirurgia e radiologia a Penn State. "Se hai toccato molti fegati e hai toccato molte milze, a volte con gli occhi chiusi puoi dire quale è quale."
Ma non è davvero facile. La ricerca negli ultimi 30 o più anni ha mostrato tassi di complicanze che vanno dal 5 al 21 percento nella cateterizzazione delle vene centrali e la ricaduta è un'infezione o un aumento dei tempi e dei costi dell'ospedale, o addirittura la morte. I medici esperti sono molto più bravi, anche perché richiede molta pratica. (In molti casi, la guida agli ultrasuoni aiuta, ma anche con un segnale visivo è facile andare un po 'troppo lontano e nel tessuto sbagliato.)
In che modo gli studenti di medicina imparano questa tecnica? In alcuni casi, un manichino costruito per assomigliare a particolari tessuti fornisce un feedback, ma più spesso gli studenti guardano un medico esperto e quindi lo provano. "Sono davvero bravo in questo", dice Han. "Quindi ho qualcuno in piedi accanto a me che vuole imparare a farlo, e in qualche modo mi appoggio alle loro spalle e dico, provate questo o quello."
Un team di ricercatori della Penn State University ha avuto un'idea diversa. Guidati da Han, nel 2017, hanno pubblicato ricerche che descrivono un robot in grado di trattenere l'estremità di un ago e fornire un feedback meccanico: mentre lo studente spinge l'ago in un grumo di silicio, il braccio del robot spinge indietro. A differenza di un manichino, può essere programmato per seguire diverse curve di forza, fatto per abbinare il profilo di pressione di un ago che scivola in diversi tessuti e che rappresenta anche diversi tipi di corpo. "Quello che vuoi essere in grado di fare è far sì che le persone dimostrino la loro competenza in un ambiente simulato prima di consegnare loro i controlli", afferma Han.
Ma alcuni degli altri ricercatori con cui stava lavorando Han avevano un'ulteriore intuizione: potevano creare uno strumento che avrebbe fatto la stessa cosa, senza robot, per molto più economico. Invece di un braccio robotico, il feedback di forza sarebbe fornito da un meccanismo alloggiato all'interno di una siringa simulata. I ricercatori hanno presentato una domanda di brevetto provvisoria quest'anno e hanno ricevuto una sovvenzione dal Penn State College of Engineering per sviluppare il dispositivo come azienda.
"Potremmo creare quelle forze un po 'più semplicisticamente facendo sì che questa frattura del materiale all'interno di queste cartucce crei la nostra forza tattile", afferma Jason Moore, professore associato di ingegneria meccanica che ha guidato il team. "E quindi potremmo ancora fornire all'utente un sacco di feedback su come hanno eseguito l'inserimento dell'ago."
Sebbene la domanda di brevetto provvisorio descriva diversi mezzi per simulare la pressione (compresi elettromagnetici, magneti, frizione, idraulica e altri), il gruppo ha scelto di concentrarsi su una versione azionata da una serie di membrane alloggiate all'interno del corpo della siringa. Spingendo contro una superficie, l'ago si ritrae nel corpo della siringa. Mentre lo fa, confina le membrane in sequenza. Ognuno si deforma e alla fine si rompe, proprio come il tessuto umano. Variando la configurazione, lo spessore e il materiale delle membrane, il dispositivo simula diversi profili di forza senza la necessità di un costoso braccio robotico.
I collaboratori di Han, Moore e Moore, professore associato di progettazione ingegneristica Scarlett Miller e professore associato di anestesiologia Sanjib Adhikary, non sono i soli a lavorare su dispositivi per la formazione degli studenti in iniezioni guidate da ultrasuoni. "Tutti stanno cercando di escogitare modi e mezzi diversi per renderlo migliore o renderlo più user friendly", afferma Adhikary. "Ma nessuno ha il Santo Graal."
Nel 2015, una società chiamata Blue Phantom ha rilasciato un sofisticato modello di allenamento per iniezioni dell'articolazione del ginocchio, completo di femore, tibia, rotula e borsa simulati, ma costa $ 3.800 ed è utile solo per praticare iniezioni nel ginocchio. Esistono anche soluzioni fai-da-te con palloncini pieni di gelatina, con vasi di tubi di gomma. David Gaba, professore di anestesia a Stanford, sviluppa simulatori per iniezione di aghi da oltre 30 anni, tra cui istruttori di plastica per iniezioni lombari. Usa persino il tessuto di spalla di maiale in sostituzione dell'essere umano.
"Solo perché qualcosa può essere simulato da una combinazione di computer / hardware per ritrarre gli aspetti tattili non significa necessariamente che raggiungerà miracoli di apprendimento o abilità", afferma Gaba. "A meno che non ci siano prove chiare che un determinato dispositivo faccia una grande differenza, alla fine sarà il mercato a determinare se un particolare progresso ingegneristico ha delle gambe rispetto ad altri approcci."
Deve esserci ancora un equilibrio, sottolinea Han. Rimuovi troppo del realismo e gli studenti non collegheranno correttamente lo strumento di pratica alla realtà. Ma qualsiasi apparato computerizzato può fornire un feedback prezioso e quantitativo - una sorta di pagella - sulle prestazioni degli studenti che apprendono la tecnica.
Mentre lavorano verso un dispositivo commerciabile, Moore, Miller e Adhikary stanno costruendo un accelerometro nella cartuccia, che si accoppierà con un software personalizzato per fornire un feedback simile sull'angolo di inserimento e sul profilo di forza. Il loro prototipo, incluso sensore e cartuccia sostituibile, costa circa $ 100.
"L'idea merita di essere perseguita, soprattutto se può essere venduta a $ 100", afferma Paul Bigeleisen, professore di anestesia all'Università del Maryland. Ma lo stampaggio a iniezione e un'ampia distribuzione, possibilmente attraverso scuole e ospedali di formazione, potrebbero ridurre ulteriormente il costo per unità.
"Se riusciamo a far sì che questi nuovi studenti di medicina o i primissimi futuri medici siano molto bravi nei movimenti della mano, siano molto stabili, ciò potrebbe avere un impatto positivo sulla loro abilità molto più in là sulla strada?", Afferma Moore.
Questa è la speranza, aggiunge.
