DESARROLLO EN CIRUGÍA ASISTIDA POR COMPUTADOR EN NEUROCIRUGÍA

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1 DESARROLLO EN CIRUGÍA ASISTIDA POR COMPUTADOR EN NEUROCIRUGÍA G. Montilla 1, I. Jara 2, R. Villegas 1, A. Bosnjak 1, L. Colmenares 1, H. Villegas 1 1 Centro de Procesamiento de Imágenes, Universidad de Carabobo, Venezuela 2 Hospital Metropolitano del Norte, Valencia, Venezuela gmontill@uc.edu.ve RESUMEN Este documento describe un proyecto de planificación quirúrgica asistida por computador en el área de neurocirugía, el cual ha sido desarrollado durante los últimos dos años. Se presenta una síntesis de su soporte tecnológico y de sus logros. El proyecto se produce después de 16 años de experiencia en procesamiento de imágenes afianzada durante la década de los 90, seis años de investigación en visualización tridimensional y dos años de investigación en navegación quirúrgica. La base tecnológica del proyecto es la plataforma de software Virtual Vision Machine. La investigación en el campo de la navegación quirúrgica en Venezuela es una iniciativa de los autores de esta propuesta, que unen sus experticias en neurocirugía y visualización científica para desarrollar un software para el apoyo tecnológico de las cirugías con mínima invasión del cerebro. El sistema que se describe ha sido probado para este momento en cuatro neurocirugías. Palabras Clave: Cirugía Asistida por Computador, Navegación Quirúrgica, Registro de Imágenes, Fusión de Imágenes. INTRODUCCIÓN La planificación de cirugías en un ambiente de modelos en un computador (ambiente virtual) y su simulación es una realidad en el área de neurocirugía. En un ambiente quirúrgico del futuro el neurocirujano utiliza la navegación quirúrgica como herramienta auxiliar durante las fases preoperatoria e intra-operatoria. El neurocirujano planifica el abordaje quirúrgico de una forma rápida, eficiente e interactiva, facilitando así el uso de técnicas quirúrgicas con mínima invasión, como la cirugía estereotáxica. En este trabajo se describe un software para planificación preoperatoria y neuronavegación con marco estereotáxico que ha sido utilizado para este momento en cuatro neurocirugías. El software fue desarrollo sobre la plataforma Virtual Vision Machine o VVM. El VVM es una API especializada en visualización científica que facilita enormemente el desarrollo de aplicaciones médicas tridimensionales. El VVM es el soporte fundamental para desarrollar la navegación quirúrgica de este proyecto. En este documento se utilizará el único término Navegación Quirúrgica para englobar los dos procesos involucrados en una neurocirugía, el primero de planificación quirúrgica asistida por computador que tiene lugar previo a la cirugía, y el segundo que es la navegación quirúrgica propiamente, la cual tiene lugar durante el procedimiento quirúrgico. Hasta el momento hemos realizado la navegación quirúrgica con marco estereotáxico, pero el sistema ya posee las bases para una navegación sin marco. El software soporta el manejo de imágenes en el estándar DICOM, la visualización de datos volumétricos con mapeo de textura 3D y mallados, el despliegue de imágenes multimodales y la segmentación de estructuras anatómicas, permitiendo al neurocirujano definir la trayectoria y el protocolo del abordaje quirúrgico mientras efectúa la navegación simulada sobre la anatomía del paciente. METODOLOGÍA El diseño del software de planificación quirúrgica se realizó siguiendo una metodología de análisis previo del procedimiento quirúrgico con marco estereotáxico, su colocación, la toma de imágenes en el tomógrafo, el procedimiento intraoperatorio, y el seguimiento posterior a la cirugía. Se diseñó el sistema de planificación en un ambiente que combina una escena tridimensional donde habitan el modelo del paciente, clones del instrumental quirúrgico y modelos de superficie de los órganos anatómicos. Se utilizan técnicas de visualización de textura 3D comandada por textura 2D, y visualización de mallados. Se utilizan técnicas de modelado de órganos basados en máquinas de aprendizaje. Se combina la escena 3D con múltiples ventanas con reconstrucción multiplanar donde se pueden seleccionar seis posibles cortes. El sistema posee una gran capacidad de interactividad en las escenas tridimensionales y bidimensionales, y además estas actividades están interconectadas, lo que significa que todos los movimientos se coordinan. 38 Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances

2 EVALUACIÓN PRELIMINAR DE LA NAVEGACIÓN QUIRÚRGICA La evaluación preliminar se realizó con una base de datos de pacientes tratados con anterioridad que sirvieron para establecer las tareas de un navegador quirúrgico. Esta base de datos consta de los estudios de tomografía axial computarizada y resonancia magnética de pacientes que fueron sometidos a cirugía del cerebro por diversas causas. Una segunda metodología consistió en trabajar con modelos anatómicos como se explica a continuación. Resultados de la evaluación preliminar La figura 1 muestra un modelo de cráneo que fue utilizado para la investigación, se observa los detalles de la colocación del marco estereotácico y los fiduciales. En la figura 2 se muestra el procedimiento para la obtención del estudio de tomografía axial en el tomógrafo de la clínica IEQ en la ciudad de Valencia. Figura 3. Proceso de planificación de la cirugía de un tumor simulado de 4 mm. En la figura 3 (arriba a la izquierda) se muestra un modelo matemático del marco estereotáxico Lecksell representado por las líneas negras, este modelo tiene las dimensiones exactas del marco real. También aparece el modelo del paciente obtenido por la técnica de textura 3D dependiente de textura 2D (el arco iris que se muestra en la misma figura). También se muestra la cánula que penetra en el cráneo. Se observa cómo quedó registrado espacialmente el modelo matemático del marco y el modelo del paciente, en este caso el modelo anatómico del cráneo de la figura 1. Figura 2. Marco estereotáxico sobre un modelo. Figura 2. Procedimiento en el tomógrafo. La parte inferior de la figura 3 muestra dos cortes oblicuos ortogonales que contienen a la cánula representada por la línea de puntos. Esta combinación de imágenes 3D y 2D le permiten al especialista analizar la mejor trayectoria para abordar la cirugía. Esta se realiza a través de una perforación de menos de 10 mm en el cráneo y por lo tanto se trata de una cirugía con mínima invasión y sin visión directa de la región afectada o sea a ciegas. Dos esferas unidas a la cánula representan el blanco anatómico y el punto de entrada. Estas esferas tienen representantes en ambos espacios (el bidimensional y el tridimensional). El especialista interactúa con la cánula directamente y a través de las esferas que representan el blanco y la entrada, en ambos espacios 2D y 3D. Todos los elementos gráficos están interconectados en su movimiento tanto en 2D como en 3D. Cualquier número de ventanas pueden ser abiertas con las vistas axial, coronal y sagital, más tres vistas oblicuas ortogonales (dos de ellas contienen a la cánula). En la figura 3 el especialista ajustó la posición de la cánula hasta lograr la trayectoria optima y lee sobre el corte 2D en la parte inferior izquierda de la misma figura las coordenadas estereotáxicas y los ángulos que debe anotar para llevar al quirófano. Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances 39

3 La figura 4 simula la situación en el quirófano, con la diferencia que en la realidad el cerebro está totalmente cerrado y la cánula ingresa al cerebro a través de una perforación de menos de 10 mm. El especialista transfiere al marco estereotácico las coordenadas y ángulos obtenidos en el proceso de planificación preoperatoria, penetra la cánula en el cerebro del paciente, la avanza y confirma que efectivamente llega con la precisión requerida hasta el tumor simulado de 4 mm de diámetro. Una verificación similar se realiza en el proceso quirúrgico real con la ayuda de un arco en C. Por el interior de una cánula de 4 mm de diámetro el especialista pasa todo el instrumental médico para realizar la cirugía. Otra evidencia de cómo la visualización 3D amplía los sentidos del especialista se muestra en la figura 6. En esta figura se observa la gran diferencia que existe en la calidad de la representación visual de las imágenes originales mostradas a la derecha de la misma figura con respecto a la visión 3D. Con una sola mirada el especialista percibe la anatomía del paciente, pero además puede manipular su modelo en el mundo 3D en tiempo real, realizar rotaciones y acercamientos, ubicar fácilmente las regiones de interés y hacer cortes. Pero además el sistema puede mezclar los modelos de las figuras 5 y 6 sin ningún esfuerzo para el especialista. De esta manera podrá realizar la cirugía con la máxima disponibilidad de información sobre modelos de la anatomía particular de cada paciente, y nutrir el modelo con las imágenes provenientes de todas las modalidades de imágenes que amerite el caso. Se pone en evidencia en estas figuras como la visualización tridimensional amplía el conocimiento anatómico del paciente. Todas las figuras presentadas en este documento son producidas por el navegador quirúrgico desarrollado. Una cualidad del navegador desarrollado es que combina la visualización simultánea de imágenes tridimensionales y bidimensionales dándoles la misma importancia. Existen dos razones para ello: (1) es imposible desligarse de la percepción de la imagen original que contiene la información captada por la modalidad de imagen utilizada, (2) un enfoque mixto 2D/3D ayuda a una mejor recepción de la tecnología por parte de la comunidad médica. Figura 4. Verificación de la precisión de la cirugía de un tumor de 4 mm. MODELOS VIRTUALES DEL PACIENTE EN ESPACIOS TRIDIMENSIONALES La cirugía se realiza previamente en el ambiente virtual antes que en el ambiente real del quirófano. Para que esto sea posible es necesario modelar el paciente e instrumental para presentarlos en el ambiente virtual. La figura 5 muestra un ejemplo específico de este modelado, a la derecha de la figura se muestran tres imágenes del estudio de tomografía axial (imágenes originales del proyecto humano visible). A la izquierda se presenta el modelo del paciente para ser utilizado en la simulación de la cirugía en el ambiente virtual, este modelo se obtiene en segundos y de manera interactiva gracias a la gran capacidad de las tarjetas gráficas actuales a costos sumamente bajos, y a que estas tarjetas en su hardware vienen integrados los algoritmos de visualización por textura 3D dependiente de textura 2D. En la figura 5 se ajustaron los íconos sobre el espacio de la textura 2D (marco inferior de la figura) para obtener una visualización de la piel en transparencia y la del tejido óseo en un color opaco. Estos íconos representan clasificadores difusos. Se agregó además un plano de corte para acceder al interior del cerebro [1]. Figura 5. Modelado del paciente. Se utilizaron dos íconos sobre el espacio de la textura 2D para producir la piel y el hueso en la textura 3D. 40 Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances

4 Figura 6. Modelado de los vasos cerebrales utilizando textura 3D. Se utilizaron dos íconos sobre el espacio de la textura 2D para simular la coloración de los vasos. Se usó en paralelo el método tradicional de planificación para comparar los resultados. Se observa en esta figura cómo se planifica la trayectoria para un mejor abordaje de la cirugía y estas trayectorias son perfectamente visibles en las dos imágenes inferiores. En una de estas imágenes se pueden leer las coordenadas estereotáxicas utilizadas luego en el procedimiento quirúrgico. La planificación tradicional se realizó sobre la pantalla de la estación del tomógrafo y la simulación se realizó utilizando el software de planificación del neuronavegador. De esta manera se pudieron comparar las coordenadas estereotáxicas del blanco anatómico y la trayectoria de acceso suministrada por ambas técnicas. Todo el proceso tardó cuatro horas, una hora para la tomografía y la planificación, y tres horas de cirugía en la sala de hemodinamia. La paciente la dieron de alta en dos días. Información sobre esta primera cirugía está publicada en [2]. REGISTRO ENTRE LOS ESPACIOS VIRTUAL Y FÍSICO Se trata de la puesta en correspondencia entre los modelos creados a partir de las imágenes originales y el espacio físico del paciente. Esto es posible debido a la utilización del marco estereotácico como se mostró en la figura 1. En esa figura el estudio tomográfico se registra con el marco Lecksel utilizando una transformada con doce grados de libertad, para la optimización se emplea un algoritmo de gradiente descendiente de la librería matemática vnl. Este registro se realiza momentos antes de la cirugía con el marco colocado en el paciente y por lo tanto se preserva durante la cirugía. De esta manera se dispone durante la cirugía de la correspondencia espacial entre el mundo virtual y el mundo real del quirófano. Figura 7. Fusión 2D entre imágenes de tomografía axial y resonancia magnética nuclear. Fusión basada en Registro La fusión de imágenes es una de las tareas fundamentales de una estación para navegación quirúrgica, y consiste en que imágenes del paciente de diferentes modalidades deben ser registradas espacialmente y luego ser presentadas simultáneamente. La fusión basada en registro se realiza a partir de imágenes tomadas de dos o más modalidades sin mover el marco estereotáxico del paciente. La figura 7 muestra los resultados de esta fusión entre imágenes obtenidas por tomografía axial y resonancia magnética. Un resultado equivalente se obtiene en espacios 3D. SIMULACIÓN VIRTUAL DE UNA CIRUGÍA La figura 8 muestra la simulación de una cirugía por estereotaxia de Aracnoidoceles realizada en el Hospital Metropolitano del Norte (Valencia-Venezuela), planificada con nuestro sistema de navegación a partir de imágenes de tomografía axial, usando un marco estereotáxico Micromar. Figura 8. Simulación de una cirugía de Aragnoidoceles en una paciente de 55 años. En la figura 9 la cirugía se simula sobre el modelo del paciente obtenido a partir de un estudio de Resonancia Magnética, el cual fue registrado previamente con el estudio tomográfico. El cirujano interactúa sobre ambos estudios mezclando ventanas con ambas modalidades sobre el área de planificación. Las imágenes superiores muestran Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances 41

5 el blanco anatómico de la cánula posicionado sobre una referencia anatómica para verificar la calidad del registro. Todos los elementos están interconectados en ambos espacios 2D y 3D, y para ambos estudios. Las coordenadas estereotáxicas del blanco y el punto de entrada se presentan en la ventana inferior. quirúrgico al tumor. Por lo tanto se trata de un proceso de optimización con restricciones. En la figura 10 el índice COIN vale 0.78 para 25 Gy. 15 Gy tumor 15 Gy 25 Gy 25 Gy tumor Figura 10. Isodosis en 3D y en 2D para braquiterapia de tumor cerebral. El catéter porta dos semillas de 125 I. RESULTADOS Figura 9. Simulación de una Cirugía usando Tomografía y Resonancia. BRAQUITERAPIA DEL CEREBRO La Braquiterapia es una técnica de radiación de tumores cancerosos mediante la inserción de semillas radioactivas. Existe la Braquiterapia de baja tasa que utiliza el isótopo 125 I y la Braquiterapia de alta tasa que utiliza el isótopo 192 Ir. No entraremos en los complicados detalles de esta práctica médica, pero es importante señalar que las semillas se colocan en el cerebro mediante un proceso de estereotaxia similar al usado en la cirugía de tumores. La figura 10 muestra un modelo del tumor a radiar obtenido por una técnica de modelado basada en máquinas de soporte vectorial (SVM). Se agregan dos superficies malladas que representan las isodosis de 25 y 15 Gy. El algoritmo de optimización se alimenta con las especificaciones médicas y la superficie que modela el tumor, y determina el número de semillas, su actividad, la posición de las semillas en el catéter que las porta y las coordenadas estereotáxicas del catéter. La optimización se realiza con un Algoritmo Genético que utiliza como medida de calidad el COIN Conformal Index [3]. El COIN es un parámetro que varía en el rango 0 a 1, vale uno cuando la superficie de la isodosis especificada (25 Gy en la figura 10) se adapta totalmente a la forma del tumor. Esta condición se puede alcanzar matemáticamente pero no es un objetivo práctico ya que la cirugía está condicionada a un número mínimo de catéteres y la actividad de las semillas se limita a un valor mínimo práctico, además la dirección del catéter está restringida por el acceso Hasta el momento se han planificado cuatro neurocirugías con este sistema, dos en el Hospital Metropolitano del Norte de la ciudad de Valencia, la primera cirugía fue una aragnoidoceles (figura 8), la segunda fue un tumor cerebral en un paciente de 87 años. La tercera cirugía planificada fue la de un niño de siete años en el Hospital Universitario de la ciudad de Caracas, y la cuarta cirugía fue una paciente de 36 años en el Hospital Vargas de la ciudad de Caracas. CONCLUSIONES Pare este momento el software posee las funcionalidades para planificar una neurocirugía, y sus prestaciones se están ampliando con el diseño de nuevos módulos. El sistema debe pasar por una fase de validación en cincuenta neurocirugías para confirmar su utilización segura. REFERENCIAS [1] G. Montilla, A. Bosnjak, I. Jara, H. Villegas (2005). "Computer Assisted Planning using Dependent Texture Mapping and Multiple Rendering Projections in Medical Applications". 3rd European Medical and Biological Engineering Conference EMBEC 05. IFMBE European Conference on Biomedical Engineering in Prague. Noviembre [2] Último acceso [3] M. Lahanas, D. Baltas, N. Zamboglou (1999). "Anatomy Based 3D Dose Optimization in Brachytherapy Using Multiobjective Genetic Algorithms". Medical Physics. 26(9), Sept Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances