BIM e VR per le strutture sanitarie tra gestione e riabilitazione - il caso dell’Ospedale S.S. Trinità di Fossano

Chiara Riba - Dott.ssa Magistrale in Ingegneria 05/10/2018 1699

L'articolo che segue è la sintesi dell'elaborato di Tesi di laurea magistrale in Ingegneria Edile discussa  dall'autrice  il 17 luglio 2018 al Politecnico di Torino sotto la supervisione della Professoressa Anna Osello e dell’ingegner Matteo del Giudice. 

Introduzione

La gestione dei fabbricati esistenti è sempre un argomento sentito specie per quanto riguarda le strutture pubbliche sanitarie. Negli ultimi anni si sta utilizzando sempre più la metodologia BIM (Building Information Modelling) come strumento innovativo per digitalizzare, informatizzare e gestire il patrimonio architettonico; l’obiettivo della tesi eradi cercare un collegamento che, tramite il BIM, potesse fare interagire in modo più interdisciplinare i progettisti, il personale medico, i pazienti e se possibile anche il personale amministrativo e la proprietà della struttura approfondendo in modo più particolareggiato la ricerca per ciò che riguarda un aspetto legato alla riabilitazione motoria.

Per le persone affette da difficoltà motorie, infatti, la riabilitazione è senza alcun dubbio fondamentale. Un approccio tradizionale tuttavia può indurre nel paziente un senso di monotonia dovuto alla ripetitività dei gesti. È ulteriore approfondimento della ricerca provare a proporre un approccio alternativo che con l’utilizzo della realtà virtuale permetta al soggetto di immergersi in ambientazioni appositamente modellate in cui svolgere esercizi personalizzati.

In letteratura si trovano facilmente una serie di articoli scientifici che collegano il mondo dell’edilizia sanitaria al BIM e al Facility Management; allo stesso modo si possono trovare articoli che colleghino BIM, realtà virtuale e Facility Management. In ambito medico poi, si sta approfondendo anche un filone di ricerca che si occupa di utilizzare la realtà virtuale per la riabilitazione. Uno degli obiettivi di questa ricerca è quello di cercare un punto di incontro comune tra BIM, realtà virtuale e riabilitazione motoria. L’idea nasce dalla professoressa Anna Osello, che in un intervista al quotidiano La Stampa del 7 dicembre 2017 afferma: “La modellazione 3D può servire per la riabilitazione, ad esempio per chi ha problemi di orientamento, ma vogliamo anche usarla per divertire”; l’articolo prosegue: “La prossima tappa sarà coinvolgere i malati che non possono muoversi dal letto, per portarli virtualmente dove non possono andare. Abbiamo un progetto con l’ospedale di Fossano”. 

Il caso studio

La costruzione dell’ospedale Maggiore a Fossano è il cantiere più importante per la città per quanto concerne alla prima metà del Settecento; il progetto ha inizio nel 1723 quando l’architetto Francesco Gallo presenta la planimetria definitiva su ordine della Confraternita della SS Trinità.Nel maggio 1724 viene posata la prima pietra del cantiere; la fase più complessa della realizzazione si conclude nella primavera del 1727 quando viene liquidato l’architetto Gallo ma la costruzione della chiesa attigua all’ospedale continua fino al 1770.

L’ospedale di Fossano è un esempio tipico dei concetti settecenteschi “l’austerità sottolinea la funzione” e “gli ospedali debbono portar fisonomia di quel che sono: il loro pregio deve essere la semplicità, il comodo, la salubrità, la bellezza[…]inopportuna ogni magnificenza di struttura e ricchezza di ornati” [F. Milizia, Principi di architettura civile, Fossano, 1781].Nello stendere il progetto, il Gallo, ha avuto a disposizione alcuni modelli di riferimento appartenenti alla stessa epoca; primo fra tutti è l’ospedale di San Giovanni costruito da Amedeo di Castellamonte nel cuore della Torino all’epoca capitale del Regno sabaudo.

Ad oggi l’edificio si presenta all’esterno esteticamente invariato rispetto al progetto del settecento anche se si può notare che è stato costruito un ampliamento sulla destra se si guarda da via dell’Ospedale.

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Sotto l’aspetto prettamente burocratico, l’ospedale SS Trinità, fa parte di un presidio più ampio denominato Asl CN1. L’ospedale di Fossano vuole caratterizzarsi come un centro in grado di offrire riposte ai pazienti dopo la fase acuta della malattia; il reparto oggetto di studio è situato al secondo piano della struttura nell’ala sinistra della stessa. Si compone di 15 posti letto per la degenza ordinaria che sono così suddivisi: 10 per i pazienti della Neuroriabilitazione e 5 per i degenti dell’Unità Stati Vegetativi.

Il personale del nucleo, che fa capo al Primario dott. Gianfranco Lamberti, si occupa di assistere persone affette da esiti di grave lesione cerebrale acquisita; nello specifico i pazienti vengono trattati per curare gli esiti di traumi cranici o ictus cerebrali seguiti da un periodo di coma superiore alle sei ore.

Metodologia

Lo schema sottostante riassume per punti il processo metodologico utilizzato e gli obiettivi perseguiti nello sviluppo dell’elaborato di tesi.

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Risulta fondamentale, ai fini della comprensione, riassumere brevemente una serie di concetti e descrivere alcuni tool utilizzati nello scritto; questo verrà fatto subito qui di seguito.

La Realtà Virtuale (VR) è una realtà simulata, rappresenta in genere un ambiente tridimensionale che viene modellizzato al calcolatore; l’ambiente virtuale può essere esplorato e con esso è possibile interagire usando dispositivi informatici come visori, guanti e auricolari che proiettano chi li indossa in uno scenario così realistico da sembrare vero. L’ambiente virtuale è completamente digitale e quindi non è necessaria la sincronizzazione tra il mondo reale e quello virtuale; l’unica cosa che serve è l’interazione con l’utente. All’interno di questa definizione si può definire ancora un sotto-ambito che è la Realtà Virtuale Immersiva (RVI). È accompagnata da una forte sensazione di immersione nello spazio esplorabile visivamente grazie alla possibilità di interagire con gli oggetti raffigurati virtualmente.

Per fare in modo che si abbia una perfetta immersione nella realtà virtuale servono tre tool: un visore integrato con un display che avvolge la vista, un computer e un controller (o altro dispositivo di input per poter interagire).Di seguito vengono descritti gli strumenti adottati per la ricerca oggetto della tesi. 

L’HTC Vive è un visore per la realtà virtuale immersiva prodotto da HTC in collaborazione con Valve. Il Leap Motion controller (siglato in seguito LM) è una tecnologia di rilevazione del movimento nell’interazione tra il computer e l’uomo; è composto da una piccola periferica USB che utilizza due telecamere e tre LED infrarossi che “tracciano” un'area semisferica 3D nella quale si possono identificare le dita o oggetti simili come una penna.

La prima fase della ricerca è rappresentata dalla modellazione del piano dove si trova il reparto oggetto di studio; per fare ciò è stato utilizzato il software Autodesk Revit versione 2018. NB: tutti i materiali sono settati come colori omogenei; la scelta di non usare texture è motivata dal fatto di dover gestire un file in Unity3d (vedi dopo) che fosse di dimensioni il più ridotte possibile.

Rilievo e modellazione 
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All’interno del piano sono state scelte due sottozone che fungessero da ambientazione per le applicazioni “virtuali”. I modelli che fungono da scenario sono stati estratti dal modello generale del secondo piano e sono stati implementati con materiali e arredi per rendere più realistica la scena. I QR Code che seguono permettono di visualizzare degli estratti dalle viste stereo panorama di due stanze.

bim-e-vr-x-strutture-sanitarie-4.JPGLa piattaforma scelta per la creazione delle applicazioni è Unity3d; questa è uno strumento di authoring integrato multipiattaforma per la creazione di videogiochi 2D e 3D e di altri contenuti interattivi come visualizzazioni architettoniche o animazioni 3D in tempo reale. Partendo dal modello BIM della stanza tipo e della palestra è stato necessario trasferire gli oggetti all’interno di un progetto di Unity; la procedura prevede un passaggio intermedio da effettuarsi con il programma di grafica 3D StudioMax per la corretta importazione dei materiali nella scena.  

All’interno di Unity3d l’interazione tra oggetti virtuali e controller HTC Vive e tra oggetti virtuali e Leap Motion è gestita tramite prefabbricati e script scaricabili dall’asset store.

Gestione del modello per l'interazione

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Risultati

Nell’ottica di “coinvolgere i malati che non possono muoversi dal letto, per portarli virtualmente dove non possono andare”, si è deciso di iniziare facendo fare loro un tour della struttura nella quale si trovano anche in previsione, una volta riacquisita la capacità di alzarsi dal letto, di potersi muovere in maniera autonoma all’interno dell’edificio. Come ambiente per i test si è deciso di utilizzare nuovamente il piano modellato con Revit.I test sono stati effettuati utilizzando Enscape e Autodesk Revit Live ovvero due differenti software di visualizzazione/navigazione per modelli BIM 3D.

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Tramite questi software qualsiasi persona può quindi “vivere” il progetto trovandosi virtualmente all’interno dell’edificio, in questo modo, gli utenti possono vedere come appare uno spazio e possono sperimentare come ci si sente dentro all’ambiente.

Del tour completo del piano, per entrambi i software, sono stati prodotto dei video visionabili interrogando i QR code a lato. 

Durante la ricerca, con l’obiettivo di progettare/rimodernare una camera di degenza coinvolgendo anche il personale medico/infermieristico e l’ente proprietario/gestore della struttura è stata sviluppata una applicazione che permette (tramite il controller dell’HTC Vive) di muovere, organizzare e/o eliminare gli arredi presenti nella stanza. In questo modo, anche persone meno affini all’attività di progettazione possono, in maniera totalmente immersiva e realistica, provare a pianificare l’interno di una camera rendendosi realmente conto di come viene utilizzato lo spazio. 

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Ulteriore risultato che si vuole presentare è la riabilitazione “virtuale”. Al fine di creare le applicazioni e di testare i tool descritti in seguito si è collaborato con una fisioterapista e uno studente di fisioterapia; questi hanno scelto tra i loro assistiti un paziente che potesse essere rappresentativo ma non troppo complesso da trattare. La scelta è ricaduta su una ragazza di 23 anni che ha subito un trauma cranico e che dopo un periodo di coma ha iniziato il processo riabilitativo. Ad oggi, la ragazza è autonoma in tutte le attività della vita quotidiana sfruttando maggiormente l’arto superiore sinistro. L’ obiettivo dei terapisti durante questo trattamento era di portare ad un'integrazione migliore l’arto superiore destro in modo che questo venisse usato soprattutto nelle attività bimanuali (come ad esempio stendere il bucato). 

Durante lo sviluppo delle applicazioni, in collaborazione con i fisioterapisti e la paziente, sono stati condotti una serie di test; sulla base di questi e del confronto con il personale medico sono state elaborate due applicazioni che rispondessero in toto alle richieste dei fisioterapisti ma, allo stesso tempo, fossero compatibili con le abilità del paziente.

HTC Vive

Per quanto riguarda l’esecutivo sviluppato per essere utilizzato con il controller dell’HTC Vive si è optato per la creazione di una “libreria” composta da più mensole di altezza, dimensione e spaziatura differenti nella quale andare ad inserire degli oggetti (libri). Come si può notare nel video di presentazione dell’applicazione (visibile a questo link link) il paziente, su precise indicazioni del fisioterapista, può distendere il braccio e fare ruotare sia l’arto sia il polso; inoltre, essendo l’esercizio da svolgersi in piedi può essere valutato anche l’equilibrio nello svolgere spostamenti/movimenti e rotazioni. 

Leap Motion

Per quanto riguarda l’esecutivo sviluppato per essere utilizzato con il Leap Motion è stato ricreato un “puzzle” composto da un numero pari (4, 6 o 8) di pezzi cubici di grandezza variabile. Durante l’esercizio la paziente, sempre seguendo le indicazioni del fisioterapista, può prendere/pinzare i cubetti con tutte le dita della mano e far ruotare loro utilizzando le dita e/o il polso (video a questo link).

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Il trattamento riabilitativo è stato svolto per due settimane consecutive nei giorni feriali con cadenza giornaliera; ogni seduta della durata complessiva di un’ora e trenta minuti era suddivisa in 40 minuti di trattamento convenzionale a lettino e 40 minuti di trattamento “virtuale” tramite l’uso delle applicazioni precedentemente descritte finalizzati all’ottenere il massimo rendimento dai movimenti residui.Al momento in cui si scrive questo elaborato non sono ancora disponibili le conclusioni da parte del personale medico; tuttavia, da un confronto finale con la paziente ed alcuni membri della sua famiglia è emerso che, in alcuni movimenti quotidiani la ragazza si sentiva più sicura e indipendente. Inoltre, con questo approccio alla riabilitazione è stato possibile adattare la difficoltà degli esercizirispetto alle abilità via via acquisite e di ridurre in modo significativo la sensazione di noia che scaturisce dalla ripetizione sistematica di movimenti nella realtà. 

Conclusioni e sviluppi futuri

In conclusione, dalla ricerca effettuata si possono trarre una serie di riflessioni, di seguito sono riportate le più significative. 

• E’ difficile stabilire quali siano gli standard di un modello BIM affinché questo possa essere compreso in modo chiaro e nitido da persone che non fanno parte del mondo delle costruzioni specie se queste hanno delle problematiche di tipo fisico, psichico o cognitivo.

• La procedura per l’utilizzo del modello tridimensionale BIM come ambientazione di uno scenario per la realtà virtuale non risulta ancora del tutto scorrevole(vi è da dire che Revit non nasce come strumento di modellazione per la simulazione di scenari virtuali).

• La “riabilitazione virtuale” è un concetto che può e deve essere approfondito. Per fare sì che i modelli si adattino sempre più alle esigenze dei pazienti vi è la necessità che ingegneri e personale sanitario collaborino facendo in modo che le rispettive discipline si fondano e le competenze di ciascuno siano sfruttate nel migliore dei modi.

• I nuovi strumenti tecnologi per la realtà virtuale nascono per scopi principalmente ludici; adottare gli stessi tool in altri ambiti è una possibilità che può e deve essere sfruttata ma che richiede ancora molto tempo e lavoro. 

Partendo da quanto detto in precedenza si può pensare,di estendere la modellazione all’intero complesso ospedaliero e di aumentare la quantità di scenari da importare all’interno delle applicazioni per la riabilitazione.

Per quanto riguarda invece la collaborazione tra ingegnere modellatore e personale sanitario sarebbe interessanteaumentare il numero di pazienti coinvolti all’interno dello studio, testare l’applicazione per la progettazione partecipata, generare nuove applicazioni sulla base dei risultati ottenuti dal personale medico in modo da migliorare il processo “trattamento riabilitativo” e infine riproporre le applicazioni con strumenti più innovativi e recenti che siano più leggeri (i visori non sono molto ergonomici e confortevoli, specie per persone con problemi fisici) e tollerabili (i vecchi strumenti possono generare un senso di nausea) da parte dei pazienti. 

Il miglioramento del settore edile/costruzioni dovuto all’utilizzo delle nuove tecnologie è possibile; per fare si che questo avvenga vi è però la necessità di fare uscire le conoscenze dall’ambito ristretto della ricerca e formare sia i professionisti del futuro, ovvero studenti e neo-laureati, sia quelli che da anni lavorano nel settore e che sono meno inclini a abbracciare le nuove tecnologie. Così come avveniva una decina di anni fa per il BIM, i cui vantaggi sembra siano stati, al momento, recepiti da tutte le figure che operano nel mondo delle costruzioni, adesso è ora di fare conoscere e apprezzare strumenti come la realtà virtuale anche in virtù del fatto dei prezzi sempre più competitivi degli strumenti.  

Estratto della tesi:

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Contatti: ribachiara@gmail.com

               chiara.riba@studenti.polito.it

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