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Simulación de cirugía en 3D para el diseño de nuevos dispositivos médicos

Validación virtual de cirugía robótica en un consultorio

Al igual que los callos que se forman en la mano, el uso excesivo de la voz puede provocar crecimientos duros y no cancerosos en las cuerdas vocales. Eliminar estos nódulos rápidamente para preservar la función de las cuerdas vocales es vital para los actores y cantantes que dependen de su voz. El método tradicional para extirpar nódulos benignos, así como algunos tumores cancerosos raros, ha sido la cirugía en el quirófano de un hospital.

En los últimos años, la extracción con láser de este tipo de lesiones en los consultorios médicos ha ganado popularidad. El procedimiento consiste en atacar los crecimientos de las cuerdas vocales con pulsos de láser para destruirlos o reducirlos. Puede ser una cirugía rápida y ambulatoria que no requiere anestesia general.

Sin embargo, la tecnología de dispositivos endoscópicos utilizada para los procedimientos actuales tiene limitaciones. "Funciona. Esta es la buena noticia", dice Loris Fichera , profesor de ingeniería robótica en el Instituto Politécnico de Worcester (WPI). "La mala noticia es que puede ser complicado acceder a determinadas partes de la laringe porque los instrumentos tienen una forma muy limitada de dirigir la luz".

Los nuevos diseños de fibra óptica y configuraciones de endoscopios deberían superar esta limitación. Fichera y sus colegas han utilizado MATLAB® para simular cómo las fibras con puntas en ángulo, en lugar de las planas que se usan hoy en día, funcionan mejor en modelos 3D de alta definición de la laringe humana. Mediante simulaciones de dispositivos médicos, esperan reducir el tiempo y el coste necesarios para crear prototipos físicos que deben probarse primero en cadáveres y luego en la clínica. Las simulaciones podrían proporcionar validación durante el desarrollo de fibras ópticas e instrumentos endoscópicos más eficaces en el futuro.

Una ilustración muestra un tumor encima de las cuerdas vocales que se puede ver con una fibra láser plana. La segunda ilustración muestra que si el tumor está debajo de las cuerdas vocales, no se puede ver.

a) El cono azul representa la vista de la cámara endoscópica, que incluye una vista del tumor. La línea discontinua roja representa la línea de visión de la fibra láser. b) Un tumor ubicado debajo de las cuerdas vocales es menos accesible para la fibra láser orientada hacia adelante. (Crédito de imagen: Carla Dipasquale Ilustración, con autorización de Loris Fichera)

"La fabricación de estos dispositivos cuesta mucho dinero y tiempo", dice Fichera. "Al utilizar la simulación con MATLAB, podemos evaluar rápidamente docenas de diseños diferentes sin fabricarlos. Determinamos qué configuración es prometedora y es la que debemos prototipar. Esto acorta el tiempo de creación de prototipos, lo que lo hace mucho más rentable. Cada ciclo de diseño y creación de prototipos ahora sólo lleva entre tres semanas y dos meses, dependiendo de la complejidad del diseño".

Caja de voz virtual

La cirugía de laringe realizada en una clínica implica pasar por la garganta un endoscopio delgado y flexible que lleva una cámara y una fibra óptica. Las fibras ópticas actuales tienen un extremo plano y emiten luz hacia adelante, sobre el tejido objetivo, por lo que no pueden ver la superficie inferior o los bordes de las cuerdas vocales que no están en la línea de visión directa.

"Con Medical Imaging Toolbox, podemos cargar todo el conjunto de datos y crear una representación tridimensional con unos pocos clics. Tener esta funcionalidad y la capacidad de exportar datos es importante: Significa que no empezamos desde cero con cada nuevo diseño. Podemos confiar en algo que sabemos que funciona y que es estándar. Esto ahorra semanas con cada nuevo diseño".

Loris Fichera, profesor de ingeniería robótica, WPI

Investigaciones recientes han sugerido que las puntas de fibra ahusadas que dirigen la luz en diferentes ángulos podrían permitir a los médicos tratar los espacios de la laringe de difícil acceso. Fichera se asoció con profesionales médicos de la Facultad de Medicina de Harvard y el Hospital Brigham and Women's de Boston para evaluar la eficacia de dichas fibras en ángulo. Realizaron un estudio basado en simulación comparando diferentes tipos de fibras láser: una fibra tradicional orientada hacia adelante y tres fibras laterales que emiten luz en ángulos de 45°, 70° y 90°, respectivamente.

El equipo de WPI creó siete modelos anatómicos 3D diferentes de la laringe humana recopilando imágenes de tomografía microcomputarizada (microCT) de muestras de laringe y procesarlos con Image Processing Toolbox™.

Las tomografías computarizadas son una secuencia de imágenes 2D en escala de grises de alta resolución en las que cada píxel transmite la densidad del tejido en un lugar. Cada imagen representa un corte de tejido que está a unos pocos micrómetros de distancia del corte en la siguiente imagen. "Es como tomar fotografías a diferentes alturas", dice Fichera. "Procesamos estas imágenes para reconstruir la forma tridimensional, y el resultado es un archivo de estereolitografía, o STL, el mismo formato que se utiliza normalmente para imprimir en 3D".

Simulaciones de laringe que comparan las áreas alcanzables por las fibras orientadas hacia adelante versus las fibras de 90° y demuestran que la fibra de 90° alcanza más áreas.

La fibra de disparo lateral de 90° puede acceder a áreas de la laringe que antes eran inalcanzables. (Crédito de imagen: Loris Fichera)

El software de radiología comercial puede reconstruir formas 3D a partir de imágenes médicas. Aún así, es difícil trabajar con el software y, a menudo, no se pueden exportar datos en el formato STL que requieren Fichera y sus colegas. El equipo pasó una semana escribiendo código para convertir las tomografías computarizadas en una representación 3D de la laringe.

"Con Medical Imaging Toolbox, podemos cargar todo el conjunto de datos y crear una representación tridimensional con unos pocos clics. Tener esta funcionalidad y la capacidad de exportar datos es importante: Significa que no empezamos desde cero con cada nuevo diseño. Podemos confiar en algo que sabemos que funciona y que es estándar. Esto ahorra semanas para cada nuevo diseño", dice Fichera.

Los estudiantes de posgrado de Fichera también utilizan Medical Imaging Toolbox™ para su curso sobre robots quirúrgicos. En el pasado, los estudiantes tenían la tarea de practicar la reconstrucción tridimensional utilizando software de radiología. "Ya no es necesario que utilicen ese software", afirma Fichera. "Les pido que utilicen MATLAB para esto".

Simulación de cirugía

Después de crear los modelos virtuales de laringe, el equipo de WPI utilizó código de MATLAB de código abierto de File Exchange para crear un modelo de un endoscopio comercial de uso común. El endoscopio tiene la punta de la cámara sobre la cuerda vocal derecha y la punta de la fibra láser sobre la izquierda. Se mueve con tres grados de libertad.

"Con Parallel Computing Toolbox, la simulación tarda unas siete horas en ejecutarse. Sin cálculo paralelo, llevaría mucho más tiempo, probablemente días".

Loris Fichera, profesor de ingeniería robótica, WPI

El equipo creó un programa para simular la inserción y el movimiento del endoscopio en la laringe mediante un algoritmo de planificación del movimiento. Los investigadores implementaron los endoscopios virtuales con las diferentes fibras ópticas en los siete modelos de laringe. El programa produjo una nube de puntos que representa todos los lugares de la laringe a los que pueden acceder los instrumentos.

A continuación, utilizaron transmisión de rayos (una técnica computacional ampliamente utilizada por los desarrolladores de videojuegos para simular la iluminación en una escena virtual 3D) para imitar el rayo láser que emerge de la punta de la fibra óptica. Utilizaron un algoritmo de intersección de triángulos de rayos para detectar el tejido de la laringe alcanzado por el rayo láser. "Básicamente, revisamos cada uno de estos puntos de nube, uno por uno, y nos preguntamos: 'Si la fibra láser está aquí y aplicamos luz desde este lugar, ¿qué tejido podemos alcanzar?'"

Una simulación de laringe que muestra el endoscopio insertado, la epiglotis, las cuerdas vocales y la tráquea. El modelo láser de la derecha muestra que la fibra orientada a los lados tiene hasta 90 grados de movimiento en comparación con la fibra orientada hacia adelante.

El modelo de endoscopio que muestra los grados de libertad de la fibra. (Crédito de imagen: Loris Fichera)

La transmisión de rayos tiene alta carga computacional, afirma, por lo que utilizaron Parallel Computing Toolbox™ para acelerar el proceso. "En lugar de pasar por miles de puntos de vista y proyectar rayos de luz uno por uno, realizamos la transmisión de rayos en paralelo desde tantos puntos como era posible a la vez y luego agregamos todos los resultados. Con Parallel Computing Toolbox, la simulación tarda unas siete horas en ejecutarse. Sin cálculo paralelo, llevaría mucho más tiempo, probablemente días".

Descubrieron que las fibras con ángulos de 45°, 70° y 90° aumentaban el tejido laríngeo total al que se podía acceder y tratar en un promedio de 50%, 74% y 84%, respectivamente. 

Diseño de endoscopios de próxima generación

Además de proporcionar evidencia de que las fibras laterales podrían mejorar la cirugía laríngea robótica, el estudio reveló una limitación fundamental de los endoscopios actuales. Las simulaciones de cirugía mostraron una brecha evidente en la nube de puntos cerca de la cuerda vocal derecha. "El software aludió a que había una parte de la laringe a la que era muy difícil alcanzar", dice Fichera. "Entonces, si un paciente tiene un tumor aquí, no se puede tratar. Esto no tenía sentido y lo primero que pensamos fue que habíamos cometido un error".

"Nuestra idea es sustituir el endoscopio que se utiliza actualmente por nuestra propia versión de este dispositivo. Cualquiera sea el diseño, primero podemos hacer una simulación en MATLAB antes de fabricar o incluso tocar cualquier instrumento físico, ver si funciona como lo esperamos y luego crear prototipos".

Loris Fichera, profesor de ingeniería robótica, WPI
Simulaciones de laringe que comparan las áreas alcanzables por las fibras orientadas hacia adelante versus las fibras orientadas a los lados a 90° y muestran la brecha que antes no estaba disponible para las fibras orientadas hacia adelante.

Las simulaciones quirúrgicas identificaron una brecha en la nube de puntos cerca de la cuerda vocal derecha a la que los endoscopios disponibles actualmente no pueden acceder. (Crédito de imagen: Loris Fichera) 

Para su sorpresa, los colegas médicos de Fichera confirmaron que, de hecho, no pueden acceder a la cuerda vocal derecha. Volviendo al programa informático, el equipo de Fichera se dio cuenta de que esta brecha se debía al diseño excéntrico del endoscopio, con la cámara en un lado y la fibra óptica en el otro, y a que a los cirujanos les resulta difícil girar el endoscopio 360° por completo.

Fichera dice que los endoscopios utilizados hoy en día para la cirugía laríngea se basan en el diseño de otros endoscopios en lugar de estar optimizados para este procedimiento específico. El equipo de WPI planea utilizar su estudio como base para desarrollar nuevos dispositivos médicos endoscópicos.

"Comenzamos esta investigación pensando que lo que teníamos que hacer era desarrollar una nueva fibra y seguir usando los mismos instrumentos", dice. "Pero, en última instancia, estos resultados nos dicen que también tenemos que rediseñar el endoscopio".

Fichera y sus colegas planean utilizar sus datos para solicitar subvenciones y utilizar los fondos para desarrollar un dispositivo completamente nuevo. "Nuestra idea es reemplazar el endoscopio que se utiliza hoy en día con nuestra versión de este dispositivo. Cualquiera sea el diseño, primero podemos hacer una simulación en MATLAB antes de fabricar o incluso tocar cualquier instrumento físico, ver si funciona como lo esperamos y luego crear prototipos".

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