Simulazione Immersiva & Realtà Virtuale: didattica interdisciplinare su oltre 6mila mq

All’Università di Toledo, l’Interprofessional Immersive Simulation Center (IISC) offre una dotazione tecnologica futuristica: iSpace a 5 pareti con 34 videoproiettori, CADWall curvo 6×3 composto da 18 moduli LED da 70” ciascuno e due CADWall da 2×2. Tutto in stereoscopia.

Volume: SIAV_02_15 – Pagine: da 66 a 72

L’IISC all’Università di Toledo offre un ambiente fra i più moderni e avanzati al mondo. 
Rappresenta un modello diverso, costruito sulle esigenze degli studenti, che interpreta il concetto di collaborazione applicata alla didattica sfruttando le tecnologie più sofisticate: una struttura pubblica che lavora fianco a fianco con l’industria di riferimento per alimentare un rapporto di partnership capace di attrarre investimenti, nell’interesse comune. Il tutto si traduce nella realizzazione di ambienti che definire futuribili è riduttivo. Un buon esempio di cosa significhi ‘sogno americano’: partire da una visione fantastica per realizzare un progetto a disposizione della comunità.

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Tre ambienti distinti ma collaborativi

Il Centro Interprofessionale di Simulazione Immersiva (IISC) installato all’Università di Toledo si sviluppa su oltre 6mila metri quadrati. Un progetto pensato per ridefinire i metodi formativi, dedicato a studenti, residenti, chirurghi e operatori sanitari in genere, con l’obiettivo di migliorare sia l’efficacia dei trattamenti che ridurre ai mini termini l’errore umano. 
È stato progettato declinando i seguenti quattro capisaldi, basati sul concetto Tri-Centrico (Tri-Center Concept): 
– Realtà Virtuale Immersiva 3D (primo piano); 
– Area Conferenze, comprese le Sale di Collaborazione (disposte in tutto l’edificio); 
– Integrazione dei tre piani interni della struttura con le apparecchiature medicali presenti nelle sale (terzo piano), software SlimCapture per attività avanzate di laboratorio (secondo piano), digital signage e segnaletica; 
– Connettività con il mondo esterno, compreso il Campus Universitario e la diffusione di contenuti in modalità broadcasting. Il cablaggio è stato realizzato facendo un uso prevalente di fibra ottica, realizzando una rete IP capace di supportare la registrazione e la trasmissione dei contenuti AV in tempo reale, senza alcuna latenza. Prima di entrare nello specifico degli ambienti di realtà virtuale immersiva, ecco alcuni elementi che contribuiranno a dare un’idea della dimensione complessiva.

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Distribuzione AV su rete IP

Complessivamente, i segnali Audio & Video vengono generati da 90 sorgenti: 62 HD Camera (44 HD-SDI e 18 DVI), sistemi presenti nelle 15 Sale Conferenza, carrelli AV, 5 decoder TV Cavo. 
Tutti i 90 segnali AV vengono inviati ad una head-end presente ad ogni piano. I segnali generati nelle 15 Sale di Video Conferenza sono codificati direttamente in loco; le 5 sorgenti TV Cavo comprendono anche i dati EPG (Electronic Program Guide). 
La distribuzione di tutti i segnali viene indirizzata, in modalità multicast, a 30 decoder presenti in diversi ambienti fra cui: Sale Conferenze, Uffici tecnici, Sale di Controllo, aree SIM, PC desktop e decoder HD-SDI ad elevate prestazioni. È previsto l’accesso ai contenuti protetto da password e la possibilità di registrare, da qualunque punto della rete attraverso un’interfaccia web-based, le immagini riprese da ognuna delle 62 telecamere e da tutte le sorgenti. I contenuti sono subito disponibili, all’occorrenza protetti da User Name/Password.

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L’Università di Toledo

L’Università di Toledo, fondata nel 1872, si trova nello stato dell’Ohio. È una struttura pubblica, un autorevole polo di ricerca scientifica. È la casa di oltre 20mila studenti, suddivisi in 16 college e 6 campus dell’Ohio. L’offerta formativa comprende più di 230 dottorati fra specializzazioni professionali, corsi parauniversitari e universitari. È frequentata anche da 350 atleti studenti. L’Università di Toledo si è conquistata una fama nazionale e internazionale per aver maturato competenze in diversi settori: energia solare e fonti rinnovabili avanzate, scienze ambientali, ricerca astronomica, ricerca traslazionale e bio-marcatori.

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La filosofia ispiratrice

«C’è un bisogno crescente di attività interdisciplinari, soprattutto nel campo dell’assistenza sanitaria per migliorare l’efficacia delle cure – ci ha spiegato la Dottoressa Pamela Boyers, Direttore Esecutivo dell’IISC. I degenti trascorrono in ospedale un periodo breve e spesso vengono trattati da specialisti diversi. È particolarmente importante per noi curare il paziente con un approccio basato sul lavoro di squadra; la formazione ne deve tener conto fin dall’inizio del percorso per contribuire a raggiungere questo obiettivo». 
«Un altro fattore trainante dell’IISC Università di Toledo – prosegue Pamela Boyers – riguarda la necessità di sviluppare metodi di insegnamento che si adattino alla crescita esponenziale delle conoscenze mediche. Per sviluppare una didattica efficace e prendersi cura dei pazienti non è più sufficiente assistere passivamente alle lezioni in aula. Serve una didattica – conclude la dottoressa Boyers – sempre più basata su esercitazioni pratiche così come è determinante imparare a pensare attraverso le situazioni da affrontare». 
L’IISC dell’Università di Toledo è stato pensato proprio per raggiungere questi obiettivi. 
Un unico Centro composto da tre ambienti (Realtà Virtuale Immersiva, Ospedale virtuale con reparti specializzati, Sale operatorie di simulazione per attività di anatomia) dotati di apparecchiature allo stato dell’arte, altamente integrati fra loro, per favorire l’interdisciplinarietà: l’UT-IISC, acronimo di University of Toledo – Interprofessional Immersive Simulation Center, rappresenta l’ambiente in cui partnership mediche e dell’industria associata possono sviluppare e sperimentare nuovi processi, prodotti e dispositivi. 
«Appena è stata presa la decisione di costruire il nuovo edificio – commenta l’architetto Giancarlo Del Vita, Design Leader dello studio BHDP Architecture responsabile del progetto – ci siamo messi al lavoro partendo proprio dalla visione della dottoressa Pamela Boyers, Direttore Esecutivo dell’IISC. Secondo questa visione l’ambiente doveva esprimere concetti importanti: futuro, collaborazione, accoglienza e condivisione. Dagli schizzi che abbiamo abbozzato nel corso del primo incontro è poi nato il progetto. Abbiamo concepito la lobby e l’area reception, una sorta di biglietto da visita per chi entra nella struttura, come un ambiente luminoso e futurista; le soluzioni architettoniche privilegiano le linee curve: le persone si sentono subito accolte e coinvolte, si percepisce subito la sensazione di essere entrati in un luogo del futuro. La lobby si sviluppa in verticale lungo tutta l’altezza dell’edificio, sulla quale si affacciano i due piani superiori».

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Il videowall della lobby

Nella lobby situata al primo piano è presente un videowall 3×4 formato da 12 monitor LCD narrow bezel Barco NSL-5521 da 55” (retroilluminazione direct LED cornice totale di 3,8 mm) gestiti da un processore Extron. Il videowall ha il compito di attrarre l’attenzione dei visitatori all’ingresso, indicando i percorsi, visualizzando le attività in corso e quelle in programma durante la giornata, le sorgenti IPTV, le News e altre info di servizio. 
L’audio, invece, si sviluppa attorno al processore DSP Polycom C16 SoundStructure che gestisce Lobby, Reception, Corridoi e Area Break. Questo piano, oltre agli uffici ospita anche i seguenti ambienti dedicati alla Realtà Virtuale Immersiva: 
– Immersive Reality Suite 1. Sistema iSpace 3D mega pixel, sviluppato su 5 pareti (frontale, destra, sinistra, soffitto e pavimento), composto da 34 videoproettori Barco; 
– Immersive Reality Suite 2. Sistema Cad Wall mega pixel, composto da 18 cubi Barco OLS da 70”; 
– 2 CADWall 3D 2×2, formati da 4 cubi Barco OLS da 70” ciascuno, installati in due ambienti diversi. Vediamo di cosa si tratta.

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iSpace 3D

È un ambiente sviluppato su 5 pareti: 3 frontali, soffitto e pavimento, per ricreare situazioni ambientali di realtà virtuale immersiva. Una soluzione sviluppata da Barco che ha investito per l’occasione un milione di dollari, integrata nell’IISC con il supporto dell’integratore AVI-SLP e del team di lavoro dell’Università. 
I proiettori sono ben 34: grazie all’edge blending ricreano in retroproiezione l’ambiente generato dal software di controllo. Il tutto viene gestito da 18 cluster, equipaggiati con 34 GPU nVidia K5000 ciascuna delle quali gestisce un videoproiettore. Il collegamento fra cluster e proiettori è stato realizzato in fibra ottica, utilizzando trasmettitori (DVI-Fibra/elettrico-ottico) e ricevitori (Fibra-DVI/ottico-elettrico).

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CADWall curvo 3D

iWall mega pixel, composto da 18 moduli LED Barco da 70 pollici, modello OLS, formato 6×3. Si tratta di uno schermo curvo, realizzato ruotando di 10° ciascun modulo rispetto a quello adiacente e, al momento, rappresenta il più grande mai installato. Questo moduli, in eco-mode, sono accreditati di oltre 80mila ore di vita operativa e garantiscono una ridondanza totale non solo sui singoli LED della matrice ma anche sull’alimentatore e gli ingressi. Garantiti per 5 anni senza necessità di manutenzione, gestiscono la visualizzazione di immagini stereoscopiche con occhiali attivi.

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CADWall 3D

In altre due sale sono stati installati due CADWall 3D più piccoli, formato 2×2, realizzati con quattro moduli LED Barco OLS, gestiti da una workstation dotata della scheda grafica Nvidia K-5000. Due schermi planari (non curvi) completi di impianto audio. Anche in questo caso la ridondanza coinvolge LED, alimentatori e moduli ingressi. È presente un sistema proprietario di raffreddamento a liquido che consente ai LED di lavorare ad una temperatura inferiore: per questo la vita operativa, in modalità eco supera le 80mila ore. Questa serie, che offre una risoluzione Full HD, è esente da cornice così il LEDWall non mostra alcuna discontinuità durante la visualizzazione. 
Sempre al primo piano dell’edifico è stato previsto lo spazio per realizzare un teatro olografico, in fase di realizzazione.

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Un concetto tri-centrico

L’UT-IISC integra tre veri e propri ambienti di simulazione, tre Centri distinti fra loro ma integrati e collaborativi.

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Centro Immersivo di Realtà Virtuale

Situato al primo piano ospita tecnologie avanzate di simulazione e modeling: integra la visione 3D, la realtà virtuale immersiva (VIR) con l’iSpace 3D, un CADWall 3D curvo e due CADWall 3D planari e spazi dedicati alla Collaborazione con l’Industria di riferimento e le Forze Armate americane. Il fatto di poter ricreare in 3D un contesto di particolare stress, ad esempio un ospedale militare da campo, aiuta l’allievo a mantenere i nervi saldi, ad imparare come si eseguono operazioni chirurgiche in queste condizioni. La realtà virtuale immersiva, in questo caso, è determinante per realizzare un training che prepara l’allievo ad affrontare queste esperienze in condizioni di maggior sicurezza.

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Centro di Simulazione Avanzata

È composto da attrezzature ospedaliere reali e manichini sofisticati (simulatori di pazienti umani), in grado di ricreare una grande varietà di contesti e ambienti sanitari. Comprende un ospedale virtuale di forma ellittica composto da diversi reparti, separati da pareti mobili: Terapia Intensiva, Sale Travaglio e Parto, Unità di Traumatologica e Pediatria tutte disposte attorno a una sala centrale di controllo, separata da un vetro a specchio che dà la possibilità ai professori di assistere all’operato degli allievi senza essere visti. Un esempio di come si può fornire maggior specializzazione anche confrontandosi e collaborando con medici specializzati in altre discipline. Il tema della collaborazione è una delle forze trainanti di questo progetto. Le sale operatorie sono collegate fra loro e gestite dalla sala di controllo che monitorizza azioni e funzioni. Dal punto di vista didattico si tratta di un’esperienza unica: nella sala di controllo il professore e il tecnico specializzato creano situazioni altamente realistiche, i manichini reagiscono come gli esseri umani. 
Quando gli studenti operano su questi manichini tutte le informazioni vengono inviate al centro di controllo da dove possono intervenire per cambiare lo stato clinico del paziente, per simulare imprevisti e contrattempi (emorragie, arresto cardiaco e respiratorio, ecc.). 
Terminata l’operazione l’allievo e il professore guardano la registrazione dell’evento e si confrontano: analizzano e commentano il lavoro fatto e come può essere migliorato. È un metodo didattico sofisticato, basato sulla collaborazione, utile per essere preparati quando ci si troverà di fronte ad un paziente reale e per ridurre ai minimi termini il margine d’errore. 
Inoltre, queste sale operatorie sono state progettate e assemblate per essere utilizzate anche nella realtà, per far fronte a vere e proprie emergenze (attentati terroristici o calamità naturali) che richiedono attività mediche e ospedaliere eccezionali.

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Centro Avanzato di Anatomia Progressiva e di Chirurgia

In totale sono presenti 17 sale operatorie, dotate di strumenti chirurgici avanzati e aggiornati per una vasta gamma di ambiti chirurgici e da laboratori dotati di tessuti vivi per esercitazioni di macro-anatomia necessari ad acquisire abilità manuali. Quest’area è collegata con il reparto di anatomia dell’ospedale dell’università attraverso un tunnel sotterraneo e un ascensore dedicato dove vengono trasportati, dopo essere stati preparati, i cadaveri (animali e umani) autorizzati per scopi didattici. 
Studenti, residenti, chirurghi, operatori sanitari e personale di altri ospedali di Toledo possono così esercitarsi nelle attività chirurgiche per accrescere le proprie abilità anatomiche. 
Questo Centro di Chirurgia lavora in partnership con le aziende del settore, che supportano la formazione e le attività di ricerca , fornendo attrezzature e personale per le competenze procedurali e workshop sullo sviluppo dei prodotti. 
Tutti e tre i centri sono stati progettati per attività di formazione specializzata, ricerca e sviluppo dei prodotti. Le attività, per ogni sessione, possono coinvolgere anche tutti e tre i centri simulando situazioni complesse e molteplici contesti. Promuovere la collaborazione interdisciplinare e la ricerca sul fattore umano (ossia studiare le persone mentre compiono le loro mansioni nell’ambiente di lavoro, in senso fisico e interpersonale, studiare il rapporto con gli strumenti di lavoro e le procedure da rispettare) consente a UT-IISC di sostenere lo sviluppo di abilità procedurali e di comunicazione attraverso il continuo sviluppo di metodi affidabili e validi di valutazione delle competenze. L’obiettivo finale è capire come la simulazione e le esercitazioni virtuali dal vivo in ambienti clinici replicati contribuiscano a migliorare i risultati delle cure attraverso il miglioramento dell’efficienza e l’accuratezza di individui e gruppi di lavoro e, in ultima analisi, a ridurre i costi sanitari.