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Modelos de corazón impresos en 3D personalizados para la planificación quirúrgica

Posted by on Sep 29, 2015 | 0 comments

Modelos de corazón impresos en 3D personalizados para la planificación quirúrgica

Los investigadores del MIT y el Boston Children’s Hospital han desarrollado un sistema que puede tomar imágenes por resonancia magnética del corazón de un paciente y, en cuestión de horas, los convierten en un modelo tangible, físico que los cirujanos pueden usar para planificar la cirugía.

Los modelos podrían proporcionar una manera más intuitiva a los cirujanos para evaluar y prepararse para las idiosincrasias anatómicas de cada paciente. “Nuestros colaboradores están convencidos de que esto va a hacer una diferencia”, dice Paulina Golland, profesora de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT, quien dirigió el proyecto. “La frase que escuché es que” los cirujanos ven con sus manos, ‘que la percepción está en el toque. ”

Este otoño, siete cirujanos cardíacos del Boston Children’s Hospital, participarán en un estudio destinado a evaluar la utilidad de los modelos.

Golland y sus colegas describen su nuevo sistema en la Conferencia Internacional de Computación e Informática de Imágenes Médicas e Intervención Asistida en octubre. Danielle Pace, una estudiante graduada del MIT en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, es la primera autora en el papel y encabezó el desarrollo del software que analiza las imágenes por resonancia magnética. Medhi Moghari, físico en el Boston Children’s Hospital, desarrolló nuevos procedimientos que aumentan la precisión de la resonancia magnética por diez, y Andrew Powell, un cardiólogo del hospital, lleva el trabajo clínico del proyecto.

El trabajo fue financiado por el Boston Children’s Hospital y por Harvard Catalyst, un consorcio dirigido a mover rápidamente la innovación científica en la clínica.

corazon 3D 2

Los datos de resonancia magnética consisten en una serie de secciones transversales de un objeto tridimensional. Al igual que una fotografía en blanco y negro, cada sección transversal tiene regiones de oscuridad y luz, y los límites entre las regiones pueden indicar los bordes de las estructuras anatómicas. Por otra parte, puede que no.

La determinación de los límites entre objetos distintos en una imagen es uno de los problemas centrales de la visión por computador, conocida como “segmentación de imágenes.” Pero los algoritmos de segmentación de imágenes de uso general no son lo suficientemente fiables para producir los modelos tan precisos que la planificación quirúrgica requiere.

Factores humanos

Típicamente, la manera de hacer un algoritmo de segmentación de imágenes más preciso es aumentarlo con un modelo genérico del objeto a ser segmentado. Los corazones humanos, por ejemplo, tienen cámaras y vasos sanguíneos que están, por lo general, en los mismos lugares que el otro, aproximadamente. Esa consistencia anatómica podría dar a un algoritmo de segmentación una manera de eliminar a conclusiones improbables sobre los bordes del objeto.

El problema con este enfoque es que muchos de los pacientes cardíacos en el Boston Children’s Hospital requieren cirugía precisamente porque la anatomía de su corazón es irregular. Las inferencias a partir de un modelo genérico podrían ocultar las características que son más importantes para el cirujano.

En el pasado, los investigadores han producido modelos imprimibles del corazón indicando manualmente límites en imágenes por resonancia magnética. Pero con las aproximadamente 200 secciones transversales en una de las exploraciones de alta precisión de Moghari, ese proceso puede tomar de ocho a diez horas.

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“Quieren traer a los niños para la exploración y pasar probablemente uno o dos días haciendo la planificación de cómo van a operar exactamente”, dice Golland. “Si se toma otro día sólo para procesar las imágenes, se hace difícil de manejar.”

La solución de Pace y Gollland fue pedirle a un experto humano identificar los límites en algunas de las secciones transversales y dejar algoritmos para tomar el control desde allí. Sus resultados más fuertes llegaron cuando pidieron al experto segmentar sólo un pequeño parche –un noveno de la superficie total – de cada sección transversal.

En ese caso, segmentando sólo 14 parches y dejando que el algoritmo deduzca el resto, produjo un 90 por ciento de acuerdo con la segmentación de expertos de toda la colección de 200 secciones transversales. La Segmentación humana de sólo tres parches produjo un acuerdo del 80 por ciento.

“Creo que si alguien me dijera que yo podía segmentar todo el corazón a partir de ocho rebanadas de cada 200, yo no lo habría creído”, dice Golland. “Fue una sorpresa para nosotros.”

En conjunto, la segmentación humana de parches de muestra y la generación algorítmica de un modelo de corazón 3-D digital lleva alrededor de una hora. El proceso de 3-D de impresión tarda un par de horas más.

El pronóstico

Actualmente, el algoritmo examina parches de secciones transversales no segmentados y busca características similares en las secciones transversales segmentadas más cercanas. Pero Golland cree que su rendimiento podría ser mejorado si también examinase los parches que corren oblicuamente a través de varias secciones transversales. Ésta y otras variaciones en el algoritmo son el tema de investigación en curso.

El estudio clínico en otoño implicará resonancias magnéticas a partir de 10 pacientes que ya han recibido tratamiento en el Boston Children’s Hospital. A cada uno de los siete cirujanos se les dará datos sobre los 10 pacientes – algunos, probablemente, más de una vez. Esos datos incluirán la prima de imágenes por resonancia magnética y, de forma aleatoria, ya sea un modelo físico o un modelo 3-D computarizado, basado de nuevo al azar, en cualquier segmentación humano o segmentación algorítmica.

Con los datos obtenidos, los cirujanos elaborarán planes quirúrgicos, que se compararán con la documentación de las intervenciones que se realizaron en cada uno de los pacientes. La esperanza es que el estudio arrojará luz sobre si los modelos físicos impresos en 3D en realidad pueden mejorar los resultados quirúrgicos.

“Absolutamente, un modelo 3-D de hecho ayudaría”, dice Sitaram Emani, un cirujano cardíaco del Boston Children’s Hospital, que no es un co-autor del nuevo artículo. “Hemos utilizado este tipo de modelo en algunos pacientes, y de hecho realizad “cirugía virtual”sobre el corazón para simular las condiciones reales. Hacer esto realmente ayudó con la cirugía real en términos de reducción de la cantidad de tiempo dedicado a examinar el corazón y la realización de la reparación”.

“Creo que tener esto también reducirá la incidencia de lesiones residuales – imperfecciones en la reparación – permitiéndonos simular y planificar el tamaño y la forma de parches a ser utilizados”, añade Emani. “En última instancia, los parches impresos en 3D basados en el modelo nos permitirán adaptar prótesis al paciente.”

“Por último, tener esto simplifica enormemente las discusiones con las familias, que encuentran la anatomía confusa”, dice Emani. “Esto les da una mejor visualización, y muchos pacientes y familias han comentado cómo esto les capacita para comprender mejor su condición.”

Fuente: nanowerk.com

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