Sistema tridimensional de planeamiento quirúrgico para PC

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1 PROCESAMIENTO DE IMÁGENES Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones, Vol. XXVI, No. 1, 2005 Sistema tridimensional de planeamiento quirúrgico para PC M. Carballo, 1 R. Rodríguez, 1 G. López 2 y A. Torres 1 Grupo de Procesamiento de Imágenes. Centro Internacional de Restauración Neurológica, Ciudad de La Habana, Cuba. 2 Departamento de Neurocirugía, Centro Internacional de Restauración Neurológica, Cubanacan, Playa, Ciudad de La Habana, Cuba. RESUMEN / ABSTRACT En la cirugía estereotáctica moderna el planeamiento asistido por computadora se ha convertido en la opción para obtener mayor precisión, seguridad y eficiencia durante el procedimiento quirúrgico. Se desarrolló un sistema para el planeamiento intraoperatorio en neurocirugía basado en un método de gran exactitud para el cálculo de las coordenadas estereotácticas, que permite obtener precisión submilimétrica; e integra en un módulo único, todas las facilidades básicas presentes en otros programas con mayores requerimientos de hardware. Se implementaron algoritmos eficientes para: cálculo de coordenadas estereotácticas, cálculo de volumen, braquiterapia, superposición de atlas estetreotáctico y procesamiento de imágenes incluidas las imágenes tridimensionales. Este sistema STASSIS constituye la herramienta fundamental para la planificación de cirugía estereotáctica. Teniendo en cuenta su modesto requerimiento de hardware comparado con otros sistemas, su funcionamiento es notable, dotando al procedimiento quirúrgico de la exactitud requerida. Palabras clave: estereotaxia, cirugía estereotáctica, procesamiento de imágenes. In modern stereotactic neurosurgery computer-assisted planning has become the method of choice to obtain greater precision, safety and efficacy during surgical procedures. A system for intraoperative planning based on an accurate method for stereotactic calculation, allowing submillimetric precision and integrating, in one complete module, all of the basic facilities that are present in other advanced programs is presented. Efficient algorithms for computing the stereotactic coordinates, image treatment, volume calculation, brachytherapy and 3D rendering were introduced. Likewise, a digitized stereotactic atlas can be displayed in overlay with CT or MRI patient s slices. STASSIS constitutes the main tool of this stereotactic surgical planning. In spite of its modest hardware requirements, if compared with other system, the overall performance is remarkable, providing the accuracy required for stereotactic procedures. Key words: stereotaxis, stereotactic surgery, image processing. Recibido: noviembre 2003 Aprobado: julio 2004 INTRODUCCIÓN En la neurocirugía moderna, especialmente en la neurocirugía estereotáctica, el planeamiento asistido por computadoras se ha convertido en el método de selección para obtener mayor precisión, seguridad y eficacia durante el acto quirúrgico. Las computadoras se convierten en herramientas indispensables para manipular toda la información presente en los diferentes tipos de imágenes existentes en la actualidad. De la misma manera que las técnicas quirúrgicas incrementan sus necesidades, los requerimientos para los sistemas de planeamiento aumentan constantemente. Las técnicas estereotácticas más sencillas requieren del cálculo y reporte preciso de las coordenadas estereotácticas. Las técnicas específicas demandan programas especializados con facilidades para la superposición de atlas estereotácticos y reconstrucción tridimensional de las estructuras presentes en los atlas como es el caso de la neurocirugía funcional; visualización de curvas de isodosis en el planeamiento de braquiterapia; cálculo de volumen y reconstrucción tridimensional en resecciones volumétricas

2 Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones, 1/2005 (tumores, quistes, malformaciones vasculares). Estos programas tienen un alto costo debido a sus grandes requerimientos de hardware. Los sistemas de planeamiento, desarrollados para computadoras personales (PC), actualmente pueden obtener precisión similar y ofrecer la mayoría de las facilidades fundamentales que años atrás solo era posible encontrar en costosas workstations. El sistema STASSIS, es un software que ha sido desarrollado en el Centro Internacional de Restauración Neurológica (CIREN) para el planeamiento intraoperatorio de neurocirugía estereotáctica, que funciona sobre PC. El sistema basa sus cálculos en un método preciso para el cálculo de coordenadas que permite precisión submilimétrica e integra en un módulo único todas las facilidades presentes en otros programas más avanzados. METODOLOGÍA STASSIS está desarrollado sobre computadoras personales, en lenguaje C++ y para la plataforma Windows 9x/2000. Cálculo preciso de las coordenadas estereotácticas El sistema está orientado a detectar automáticamente la posición de cada marcador de referencia y su centro de masa. No obstante es posible la inspección visual del usuario que permite la verificación del proceso y su intervención en cualquier momento, en caso necesario. Luego de ser localizado cada marcador en la imagen es posible calcular la posición de la imagen en el espacio estereotáctico teniendo en cuenta además la información del fabricante; en otras palabras, es posible obtener las coordenadas estereotácticas 3D a partir de las coordenadas de imágenes 2D. Para el cálculo de coordenadas se creó un método vectorial basado en la descripción analítica de todas las posibles relaciones geométricas existentes en la posición de los marcadores. Todas las relaciones geométricas son escritas en forma de ecuaciones lineales conforme a la información dada por el fabricante del marco estereotáctico y considerando el hecho de que todos los puntos son coplanares. 1,2 Utilizando la localización (2D) de cada marcador de referencia en la imagen se obtienen los coeficientes de las ecuaciones formadas. El sistema de ecuaciones lineales sobredeterminado resultante es solucionado utilizando mínimos cuadrados. Una vez que han sido calculadas las coordenadas estereotácticas 3D para tres puntos no alineados en la imagen puede ser calculada la matriz de transformación de coordenadas de la imagen a las coordenadas estereotácticas del marco utilizado. 3 Se calculan entonces las coordenadas estereotácticas del origen de la imagen y se pueden obtener las coordenadas estereotácticas de cualquier punto P i utilizando la ecuación: P s = P 0 + x i V H + y i V V donde: (x i, y i ): Coordenadas del punto P i en la imagen. P s : Coordenadas estereotácticas del punto. P 0 : Coordenadas estereotácticas del origen de la imagen. V H, V V : Vectores estereotácticos a lo largo de la horizontal y vertical de la imagen, normalizados. Este método facilita la corrección en la determinación del blanco inicial en neurocirugía funcional, donde usualmente se utilizan métodos fisiológicos para la confirmación del blanco definitivo. Los blancos iniciales se establecen mediante métodos gráficos utilizando imágenes de tomografía axial computarizada (TAC) o de resonancia magnética (RM). La localización precisa de los blancos en las imágenes se dificulta y por este motivo se establecen sobre bases empíricas, considerando la posición relativa a otros puntos que pueden ser localizados con mayor exactitud en las imágenes. 4 En el caso de la cirugía funcional en la enfermedad de Parkinson habitualmente se determina considerando la distancia a la línea intercomisural, definida por la comisura anterior (AC, Anterior Commissure) y la comisura posterior (PC, Posterior Commissure). 5 Errores geométricos pueden ocurrir cuando existen diferencias entre el plano que contiene las imágenes axiales y el plano anatómico que contiene las comisuras AC-PC y sus ortogonales. 4 Se desarrolló un algoritmo simple para la corrección de la alineación que utiliza solamente la información de tres puntos: AC, PC y la información de cualquier otro punto localizado en el plano interhemisférico. Localizados estos tres puntos se puede determinar unívocamente la transformación de coordenadas basadas en la localización de AC/PC, que se han denominado coordenadas anatómicas, a las coordenadas estereotácticas del marco, que son las que se colocaran definitivamente. Cálculo de volumen El cálculo de volumen tiene varias aplicaciones clínicas importantes como mediciones de tumores, de lesiones, de malformaciones vasculares, quistes, etcétera. El objetivo fundamental del algoritmo implementado para el cálculo de volumen es asegurar la precisión en el reporte y posibilitar la edición y visualización en todas las imágenes sin restricciones a los planos ortogonales. Otro requerimiento a tener en cuenta fue la creación de un método eficiente para el almacenamiento e información del volumen. Para obtener una representación tridimensional del volumen precisa y completa se crea un modelo basado en pequeños elementos cúbicos (1-5 mm) que completan el espacio estereotáctico de interés. La precisión es lograda disminuyendo el tamaño de los cubos. De esta manera son necesarios más cubos para completar la región y consecuentemente los requerimientos de almacenamiento y tiempo de visualización aumentan. Para reducir los requerimientos de memoria se considera el volumen como un paquete de volumen; a cada paquete están asociadas las coordenadas 3D de una de sus esquinas y los correspondientes desplazamientos en los tres ejes coordenados X, Y y Z. El aumento en el tiempo de visualización se logra mediante la aplicación de un algoritmo diseñado para dibujar curvas de isovalor, que considerablemente reduce el volumen de cómputos. Con este método se crea una cuadrícula de tamaño arbitrario y 20

3 Sistema tridimensional de... chequean solamente los nodos de la cuadrícula, para visualizar solamente los contornos que contienen nodos que pertenecen al volumen. Tratamiento de imágenes y facilidades para la visualización Se desarrollaron algunas técnicas básicas para el tratamiento de imágenes. Puede modificarse el brillo y contraste de las imágenes para mejorar la visualización de elementos de interés clínico. Es posible la ampliación en cualquier orientación de regiones de interés, definidas por los usuarios. Todas estas modificaciones son reversibles. Pueden ser mostrados diferentes modos de visualización y tres vistas ortogonales de un mismo punto, que permite obtener la información imagenológica completa de la región de interés. De manera eficiente es posible obtener reconstrucciones en cualquier plano, ortogonal o no ortogonal, para permitir la localización ideal del blanco quirúrgico. Atlas estereotáctico Fueron digitalizadas las cincuenta y siete placas del atlas de Schaltenbrand and Wahren. 6 Luego de ser determinadas las comisuras AC y PC, los contornos de las estructuras presentes en el atlas se muestran conjuntamente con la correspondiente información de las imágenes de TAC o MR del paciente. Es reportado el nombre de las estructuras señaladas, así como la identificación del corte del atlas que es visualizado. Es posible realizar las transformaciones fundamentales de traslación y escalamiento para obtener el mejor ajuste a la anatomía real del paciente. Este procedimiento ha sido implementado para los cortes axiales, coronales y sagitales. Braquiterapia El sistema STASSIS incluye un módulo para braquiterapia que provee el soporte para el cálculo dosimétrico de alambre de Iridio-192 y semillas de Iodo-125. La dosis de integración toma en cuenta la contribución de la radiación primaria y dispersa del tejido. Las curvas de isodosis se muestran en superposición de las imágenes originales de TAC o cualquier otra imagen reconstruida, y cualquier magnificación realizada es también rectificada en la información de la dosis. Visualización tridimensional La visualización tridimensional del conjunto de datos procedente de las imágenes de TAC y RM, utilizando un algoritmo de rendering de volumen, fue implementada para cortes no uniformemente distribuidos. El algoritmo implementado pertenece al grupo que opera en el espacio imagen _ recorre la imagen final y determina para cada pixel que objetos en el volumen de datos lo afecta (image order) _. 7 Este método emplea una técnica de raytracing, en la que cada punto en la imagen proyectada representa la máxima intensidad que encuentra en su trayectoria un rayo "lanzado" a través del volumen. Los valores de grises y transparencia pueden ser modificados de forma independiente para cada imagen 3D reconstruida. Es posible definir cortes 3D en planos ortogonales que permitan visualizar la información interior del volumen o la separación de los contornos. RESULTADOS Cálculo preciso de las coordenadas estereotácticas Utilizando una entrada ideal, se verifica que la localización de los centros de masas en los marcadores de referencia permitió una precisión submilimétrica en los cálculos de las coordenadas estereotácticas en las imágenes mediante el algoritmo diseñado. Un reporte detallado de la precisión de este sistema ha sido previamente publicado. 8 Las estadísticas muestran una desviación mínima de 0,01 mm, máxima desviación de 0,145 mm y una desviación promedio de 0,038 mm. El algoritmo empleado para la corrección en la determinación del blanco en neurocirugía funcional, es una forma rápida y efectiva de transformar las coordenadas basadas en la localización de AC/PC en coordenadas del marco estereotáctico. Debido a su generalidad, este método es posible utilizarlo con cualquiera de los marcos compatibles con el sistema de planeamiento. Cálculo de volumen La visualización y la edición del volumen son suficientemente eficientes para permitir que estas tareas se realicen durante el acto quirúrgico con el fin de reportar la información requerida por el personal médico, sin grandes implicaciones de tiempo. Un volumen igual a 100X100X100 mm 3, para elementos cúbicos de dimensión 1 mm, utilizando tres enteros de 16 bit, que corresponden a sus coordenadas X, Y y Z y una representación de entero de 16 bit considerando que los cubos son organizados de acuerdo con su posición espacial entera en cada coordenada, requieren aproximadamente de 6 Mbytes de memoria. Mediante esta representación se puede reducir el tamaño del volumen mencionado de 6 Mbytes a 120 kbytes. Durante la búsqueda y desarrollo del algoritmo implementado fue probado el rendimiento de tres métodos para la visualización del volumen. En los dos primeros algoritmos probados el tiempo que consumió la visualización de un volumen de 100X100X100 mm 3 fue aproximadamente de 30 s, lo cual no fue considerado aceptable. Mediante la modificación realizada se redujo el número de puntos a chequear veinticinco veces y consecuentemente se obtuvo la visualización del volumen en tiempo real. Tratamiento de imágenes y facilidades para la visualización Las diferentes facilidades para el procesamiento de imágenes utilizadas por este sistema fueron probadas en diferentes condiciones para detectar cualquier error cometido durante la ampliación, reducción, creación de una o múltiples imágenes reconstruidas. 8 La visualización de las imágenes, reconstrucción 2D ortogonales o no ortogonales, ampliación y otras facilidades, se ejecutan en tiempo real. Atlas estereotáctico Los cortes del atlas digitalizado de Schaltenbrand and Wahren han sido utilizados satisfactoriamente en más de trescientos procedimientos quirúrgicos. 5 Luego de ser modificados de acuerdo con la anatomía real del paciente los cortes son ajustados teniendo en cuenta el registro electrofisiológico para un mejor ajuste. 21

4 Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones, 1/2005 Braquiterapia El módulo incluido para el planeamiento de braquiterapia permite la localización precisa de las fuentes radiactivas y la visualización de la distribución real de la dosis, teniendo en cuenta todo el procedimiento estereotáctico 9 (figura 1). Debido a que la cirugía está condicionada por la planificación de la localización definitiva de las fuentes, es esencial la capacidad del sistema de planeamiento STASSIS de visualizar en tiempo real las dosis en las tres dimensiones. Figura 1 Curvas de isodosis para implantes estereotácticos de alambre de Ir192. Visualización tridimensional Las secciones críticas del algoritmo, aquellas que controlan las veces que un ciclo es ejecutado, fueron optimizadas en orden de reducir el tiempo requerido para la visualización. La tarea de la reconstrucción 3D fue asignada a un hilo independiente para no bloquear la realización de las restantes técnicas. La figura 2A muestra la reconstrucción 3D correspondiente a cincuenta y cuatro cortes distribuidos de manera no uniforme, obtenidos en un equipo de TAC Siemens utilizando el protocolo habitual (matriz de dimensión 512x512). La figura 2B muestra la reconstrucción 3D correspondiente al mismo volumen con diferentes valores de grises y transparencia, donde fueron separados los contornos de la imagen. La reconstrucción y visualización 3D consume menos de 12 s, aceptable en las condiciones clínicas en orden de obtener mayor información. Figura 2 A. Reconstrucción 3D correspondiente a un conjunto de cortes de TAC. B. Reconstrucción del mismo volumen utilizando diferente transparencia y valores de grises para resaltar estructuras específicas. DISCUSIÓN En la neurocirugía estereotáctica cada paso debe ser analizado en detalle para garantizar la correcta ejecución y precisión del procedimiento quirúrgico. El uso de toda la información geométrica disponible en el cálculo de las coordenadas estereotácticas reduce la magnitud del error causado por la desviación de un valor individual. La aproximación vectorial asegura este objetivo y es recomendable por su universalidad. Todas las técnicas usadas por este sistema fueron probadas en diferentes condiciones. Se diseñaron tres pruebas diferentes: el test de exactitud y el test de estabilidad, ambos basados en imágenes digitales, y el test de funcionalidad basado en un phantom especialmente construido, diseñado de forma similar a uno descrito por Maciunas. 10 El primer test evalúa la precisión del sistema en condiciones ideales, y está orientado a detectar errores introducidos durante la ejecución de cualquier técnica, o como resultado de las operaciones matemáticas necesarias para reportar las coordenadas estereotácticas. El segundo test permite la evaluación de la precisión cuando la entrada al sistema no es ideal y sus desviaciones son mayores que las permisibles para estos procedimientos quirúrgicos. El tercero es un método estándar usado para obtener una estimación de la precisión en un procedimiento quirúrgico real. La aplicación de estas pruebas para evaluar la precisión del software de planificación permitió obtener una estimación precisa de las fuentes de error en cualquier paso del procedimiento quirúrgico. Así mismo el uso de simulaciones ideales de la geometría del marco ayudó, durante el desarrollo del sistema, a detectar pequeños errores que no pueden ser detectados mediante el uso de phantom. 8 El software STASSIS constituye la principal herramienta de planeamiento quirúrgico estereotáctico en un amplio rango de técnicas (biopsias, craneotomías dirigidas, talamotomías, palidotomías, subtalamotomías, malformaciones vasculares, braquiterapia, etcétera). A pesar de sus modestos requerimientos de hardware, comparado con otros sistemas, la capacidad global de este sistema es notable. CONCLUSIONES El sistema de planeamiento STASSIS provee la exactitud requerida por los procedimientos estereotácticos y permite un aumento en la eficiencia y confiabilidad del procedimiento neuroquirúrgico. Actualmente este software es utilizado para la planificación de neurocirugía estereotáctica en ocho hospitales en Cuba y uno en Santiago de Chile. Durante el período STASSIS se ha utilizado exitosamente en más de seiscientos procedimientos quirúrgicos. La experiencia de la práctica clínica con el software en la unidad quirúrgica del CIREN ha permitido su regular perfeccionamiento, en función de obtener facilidades superiores y mantener beneficio de la planificación por personal médico y aumentar las ventajas que conlleve el uso de la cirugía de mínima invasión. 22

5 Sistema tridimensional de... REFERENCIAS 1. "Sistema para cirugía estereotáxica Estereoflex ":Manual de Usuario", CIREN-CIE, Cuba, Leksell Stereotactic Systems: User's Manual. Elekta Instrument AB, Sweden, HENRI, C. J.; D. L. COLLINS & T. M. PETERS: "Multimodality Image Integration for Stereotactic Surgical Planning", Medical Physics, Vol. 18, No. 2, OTT, K.: "An Algorithm for the Empirical Determination of Intracranial Stereotactic Targets", Stereotactic and Functional Neurosurgery, Vol. 71, LÓPEZ, G. et al.: "Anatomic and Neurophysiological Methods for the Targeting and Lesioning of the Subthalamic Nucleus: Cuban Experience and Review", Neurosurgery, Vol. 52. No. 4, SCHALTENBRAND, G. & W. WARREN: "Atlas for Stereotaxy of the Human Brain", Vol. 2, Thieme, Stuttgart, SUTHERLAND, I. E.,; R. F. SPROULL & R. A. SCHUMA- CKER: "Caracterization of Ten Hidden-Surface Algorithms", Computing Surveys, Vol. 6, No. 1, MONTOYA, A. T. & J. PEREIRA: "Testing the Precision of Stereotactic Planning Systems", Comp.Med.Imaging and Graphics, Vol. 22, MAINEGRA, E.; R. CAPOTE & E. LÓPEZ: "Dose Rate Constants for 125I, 103Pd, 192Ir and 169Yb Brachytherapy Sources: an EGS4 Monte Carlo Study", Physics in Medicine and Biology, Vol. 43, MACIUNAS, R. J.; R. L. GALLOWAY & J. W. LATIMER: "The A pplication A ccuracy of Stereotactic Frames", Neurosurgery, Vol. 35, No. 4, AUTORES Maylén Carballo Barreda Licenciada en Ciencias de la Computación. Especialista en Procesamiento de Imágenes. Jefa del Grupo de Procesamiento de Imágenes y actualmente coordinadora del Proyecto de Desarrollo del Sistema de Planeamiento Quirúrgico para Neurocirugía Estereotáctica del CIREN. Correo electrónico: maylen@neuro.ciren.cu Rafael Rodríguez Rojas Licenciado en Física Nuclear, Master en Ciencias. Investigador Agregado. Es investigador en el Grupo de Procesamiento de Imágenes y en el Laboratorio de Neuroinformática del CIREN. Correo electrónico: rafael@neuro.ciren.cu Gerardo López Flores Doctor en Medicina. Especialista de 2do. Grado en Neurocirugía. Profesor Instructor. Investigador Auxiliar. Neurocirujano de la Clínica de Neurocirugía del CIREN. Correo electrónico: gerardo@neuro.ciren.cu Abel Torres Montoya Licenciado en Física y Matemática, Máster en Ciencias. Investigador Agregado. Programador principal del Proyecto de Desarrollo del Sistema de Planeamiento Quirúrgico para Neurocirugía Estereotáctica. Vol. XXVI, No. 1, 2005 CONGRESOS INTERNACIONALES International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing (ISSNIP) December 2004 Melbourne, Australia December 2004 Cairo, Egypt Second International Conference on Intelligent Sensing and Information Processing 4 7 January 2005 Chennai, India 31st Annual Northeast Bioengineering Conference 2 3 April 2005 Hoboken, New Jersey The Third Int'l Conference on Functional Imaging and Modeling of the Heart, FIMH June 2005 Barcelona, Spain Third Int'l Conference on Ethical Issues in Biomedical Engineering 4 6 June 2005 Alfred, New York Cairo International Biomedical Engineering Conference First Annual Augmented Cognition International Conference June 2005 Las Vegas, Nevada World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering August 1 September 2006 Seoul, Korea 23