Modelos virtuales: el formato STL

Los modelos virtuales están formados por superficies 3D definidas por vértices unidos formando caras triangulares. Existen multitud de formatos para guardar este tipo de archivos pero el más universal es el formato STL (Standard Triangle Language). Al contrario que otros formatos, STL sólo guarda la información geométrica del modelo 3D, sin color ni texturas. 

Puedes aprender algo más de cómo funciona esto viendo esta presentación en vídeo:

Visualización y procesamiento de imágenes con ITK-SNAP

ITK-SNAP es una aplicación software usada para segmentar estructuras 3D en imágenes médicas. Es el producto de una larga colaboración entre Paul Yushkevich, Ph.D., del Penn Image Computing and Science Laboratory (PICSL) en la University of Pennsylvania, y Guido Gerig, Ph.D., del Scientific Computing and Imaging Institute (SCI) en la University of Utah. Su visión fue crear una herramienta dedicada únicamente a la segmentación y que fuera fácil de usar y aprender. ITK-SNAP es gratuita, multi-plataforma y open-source.

ITK-SNAP ofrece segmentación semi-automática usando métodos de contornos activos, así como delineación manual y visualización de las imágenes 3D. Además, permite la creación de modelos 3D a partir de las segmentaciones.

Comparado con otras herramientas open-source de análisis de imagen médica, como 3D Slicer, el diseño de ITK-SNAP se centra específicamente en el problema de la segmentación de imágenes. El diseño también enfatiza la interacción y facilidad de uso, con la mayor parte del esfuerzo de desarrollo en la interfaz de usuario.

Tienes una serie de tutoriales para aprender a usar los distintos métodos de segmentación y obtener los modelos 3D virtuales a partir de ellas (http://www.itksnap.org/docs/viewtutorial.php). Además, dispone de su propio canal de youtube en el que puedes acceder a diversos videotutoriales (https://www.youtube.com/channel/UCmjrCaGMtwwBXppAberTrjg).

Uno de estos tutoriales explica en poco más de dos minutos cómo realizar una segmentación semi-automática y obtener un modelo 3D.

Visualización y procesamiento de imágenes con 3D Slicer

Para poder visualizar y analizar la imagen del TAC que se realizó a nuestro fantoma podemos usar distintos programas pero hoy vamos a ver uno concreto: 3D Slicer.

3D Slicer es una plataforma para el análisis y la visualización de imágenes médicas y para la investigación en terapias guiadas por imagen. Es gratuito, multi-plataforma y open source. Además, es extensible y se pueden añadir gran cantidad de plug-ins.

Aunque se empezó y se coordina desde la Universidad de Harvard, 3D Slicer es el esfuerzo de un gran grupo de desarrolladores y colaboradores de múltiples instituciones a lo largo del mundo.

Existen una gran cantidad de tutoriales en la propia página del programa (https://www.slicer.org/wiki/Documentation/4.6/Training), de los que se deben destacar aquellos en la categoría de General Introduction, donde puedes aprender el manejo básico de las herramientas de visualización de 3D Slicer.

Además, puedes encontrar multitud de videotutoriales en youtube, como éste en el que usan la segmentación basada en umbral, seguida de una mejora manual, para segmentar una vértebra y crear un modelo 3D virtual.

 

Braquiterapia robótica

Probablemente la aplicación clínica más parecida al sistema de nuestra asignatura es la de la braquiterapia robótica. La braquiterapia es una técnica de radioterapia en la que unas semillas de material radioactivo se insertan en la próstata mediante el uso de una aguja que accede atravesando el perineo. Esta intervención se realiza con el guiado de un sistema de ultrasonidos transrectales que permiten la navegación intraoperatoria.

Como podemos observar, la solución robótica es un robot teleoperado que permite la inserción de una aguja en el órgano de interés. Actualmente no hay sistemas comerciales pero sí hay varios sistemas en desarrollo por parte de centros de investigación. Algunos de ellos los podéis encontrar en esta presentación http://www.aapm.org/meetings/amos2/pdf/49-14448-11758-141.pdf

En el vídeo podemos ver uno de estos sistemas siendo utilizado sobre un fantoma que asemeja una próstata.

Cateterismo robótico

Uno de los sistemas clínicas más similares al sistema que se va a desarrollar durante la clase es el de cateterismo robótico. Existen diversas soluciones comerciales en el mercado, pero la que os mostramos hoy es el Sensei Robotic System de Hansen Medical (http://www.hansenmedical.com/us/en/cardiac-arrhythmia/sensei-robotic-system/product-overview).

En el vídeo podemos ver un robot teleoperado que introduce o extrae un catéter del cuerpo de un paciente. El cirujano tiene una consola en la que puede visualizar la posición del catéter y las estructuras anatómicas de interés mediante modelos virtuales.

 

Propuesta docente

Basándonos en lo expuesto en la sección de Metodologías docentes, en nuestro caso concreto se plantea una estrategia de aprendizaje experiencial utilizando las técnicas de aula invertida y aprendizaje basado en proyectos. El objetivo es que los alumnos adquieran y asimilen los conceptos necesarios para el diseño y desarrollo de aplicaciones de cirugía guiada por imagen y cirugía robótica.

Los conocimientos teóricos necesarios se pondrán a disposición de los alumnos en el aula virtual (Moodle, Blackboard, etc.) en forma de documentos, vídeos, videotutoriales, etc., y los alumnos deberán trabajar en ellos de forma individual. En el aula se llevará a cabo un aprendizaje basado en proyectos, realizado en equipos, en el que los distintos grupos deberán diseñar y desarrollar su propia aplicación para la ayuda y el guiado en cirugía robótica guiada por imagen usando un entorno controlado y simplificado.

Para ello tendrán que interiorizar los componentes básicos de una aplicación de cirugía asistida por ordenador, explicados en la sección con el mismo nombre. Una vez tengan claro los componentes de un sistema genérico deben ser capaces de hacer uso de los materiales disponibles para crear su propia aplicación. Todos los materiales son descritos en la sección de Materiales y Software. Como norma general sólo se utilizan materiales open-source y multi-plataforma, y/o generados por los profesores de la asignatura.