38_42_Desarrollo_en_Cirugia_Asistida_por_Computador

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Desarrollo en Cirugía Asistida por Computador en Neurocirugía
Chapter · May 2008
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7 authors, including:
Guillermo Montilla
111 PUBLICATIONS   211 CITATIONS   
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Antonio Bosnjak
Ulster University
106 PUBLICATIONS   221 CITATIONS   
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Ricardo Villegas
Universidad de Carabobo, UC
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Ivan Jara
Hospital Clinica Roca
31 PUBLICATIONS   39 CITATIONS   
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38 Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances 
DESARROLLO EN CIRUGÍA ASISTIDA POR COMPUTADOR 
EN NEUROCIRUGÍA 
 
G. Montilla1, I. Jara2, R. Villegas1, A. Bosnjak1, L. Colmenares1, H. Villegas1 
 
1Centro de Procesamiento de Imágenes, Universidad de Carabobo, Venezuela 
2Hospital Metropolitano del Norte, Valencia, Venezuela 
e-mail: 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 pre-
operatoria 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 pre-
operatoria 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 enel 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. 
Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances 39 
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 2. Marco estereotáxico sobre un modelo. 
 
 
 
Figura 2. Procedimiento en el tomógrafo. 
 
 
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. 
 
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. 
40 Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances 
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. 
 
 
 
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]. 
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 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. 
 
Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances 41 
 
 
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. 
 
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. 
 
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. 
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]. 
 
 
 
Figura 7. Fusión 2D entre imágenes de tomografía axial 
y resonancia magnética nuclear. 
 
 
 
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 
42 Bioingeniería en Venezuela: Tendencias, Propuestas y Avances 
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. 
 
 
 
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 
125I y la Braquiterapia de alta tasa que utiliza el isótopo 
192Ir. 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 
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. 
 
 
 
Figura 10. Isodosis en 3D y en 2D para braquiterapia de 
tumor cerebral. El catéter porta dos semillas de 125I. 
 
RESULTADOS 
 
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 2005. 
[2] http://www.tiempo.uc.edu.ve/tu488/paginas/10y11.htm. 
Último acceso 15-10-06. 
[3] M. Lahanas, D. Baltas, N. Zamboglou (1999). 
"Anatomy Based 3D Dose Optimization in Brachytherapy 
Using Multiobjective Genetic Algorithms". Medical 
Physics. 26(9), 1904-18. Sept 1999. 
15 Gy
25 Gy
15 Gy
25 Gy
tumor
tumor
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