Estudio, modelización y exploración del eje arterial aorto-ilio-femoral mediante técnicas de realidad aumentada

Abstract

[ES] Los avances en cardiología son necesarios para hacer frente a las diferentes patologías y disfunciones cardiacas, caracterizadas por ser la principal causa de muerte en la mayoría de los países desarrollados. Dentro de este ámbito de la medicina cobran importancia los procedimientos percutáneos en los que se inserta un catéter en el sistema vascular y se dirige hasta las cavidades cardiacas. Actualmente, el control del avance y colocación de la sonda se hace con fluoroscopia, técnica que proporciona una imagen en tiempo real de la anatomía del paciente. Los vasos para la inserción del catéter más comunes son las arterias femorales, sin embargo, el gran diámetro, la alta presión del sistema y la posible presencia de placas de ateroma con calcificación extensa en el eje arterial aumentan el riesgo de complicaciones. En estos casos, la planificación preoperatoria de la intervención es compleja y se realiza en base a la imagen de tomografía computarizada del paciente obtenida a priori. Además, el operador tiene acceso directo limitado a ella intraquirófano, lo que crea la necesidad de retener lo estudiado en la memoria y complica la toma de decisiones en caso de que aparezcan problemas. La realidad aumentada se presenta como una tecnología que ofrece un potencial difícilmente alcanzable por el resto de las técnicas contemporáneas para la exploración anatómica del interior del cuerpo humano. En conjunto con sistemas de seguimiento ocular, de manos y reconocimiento de voz proporciona una herramienta óptima en la visualización de modelos tridimensionales de estructuras corporales y la interacción con estos. En el presente Trabajo Fin de Grado se busca sacar un modelo de la anatomía interna del paciente, obtenida a partir de la tomografía computarizada, y compilarlo en unas gafas inteligentes. Con esto, se pretende facilitar el trabajo del médico, ofreciéndole información intraquirófano de la situación del eje arterial aorto-ilio-femoral por el que va a avanzar el catéter. Además, se trata de reducir tiempos de operación y dosis de radiación recibida. Con las imágenes CT del paciente, se hace una segmentación de las partes anatómicas de interés y se realiza un modelo de estas. Una mejor visualización a través del dispositivo se consigue ajustando texturas y se reduciendo la cantidad de polígonos que componen la malla, lo que agiliza la interacción del médico con el objeto. Con el resultado óptimo, y el uso de un sistema de desarrollo de software compatible con las HoloLens, se crea la aplicación que, posteriormente, se compilará en estas. En el dispositivo, se puede visualizar el volumen, sin necesidad de cables, y mover con las propias manos, lo que permite situarlo en la parte del espacio deseada. En cuanto a los materiales utilizados en el proyecto, se requiere la instalación del siguiente software. La segmentación y creación del primer modelo se lleva a cabo mediante el 3D Slicer, la reducción del mallado con MeshMixer y las texturas, colores y materiales se dan con Blender. Por lo que hace a la plataforma de desarrollo, se usa Unity y su MixedRealityToolkit que facilita una serie de herramientas básicas para la creación de aplicaciones de realidad aumentada. Para finalizar, el IDE Visual Studio proporciona facilidad y rapidez para compilar, conectar y ajustar las aplicaciones a dispositivos Windows, las Microsoft HoloLens 2, gafas de realidad aumentada. En conclusión, los resultados de los sistemas aplicados solucionan los problemas asociados al diagnóstico y planificación quirúrgica en el campo de la cardiología; además de ofrecer posibilidades esperanzadoras para el tratamiento. Al trabajar con estructuras anatómicas del propio paciente personaliza la exploración del eje arterial, se detecta con facilidad la presencia de calcificaciones y se localizan en una parte concreta del vaso, así como, se determina, de manera real, la sección de este. Por último, destacar que la programación de botones que aparecen en la escena permite visualizar distintos modelos en el espacio físico o, prescindir de ellos.

[CA] Els avanços en cardiologia són necessaris per fer front a les diferents patologies i disfuncions cardíaques, caracteritzades per ser la principal causa de mort en la majoria dels països desenvolupats. Dins d'aquest camp de la medicina reben importància els procediments percutanis en els quals s'insereix un catèter en el sistema vascular i es dirigeix fins a les cavitats cardíaques. Actualment, el control de l'avanç i la col·locació de la sonda es fa amb fluoroscòpia, tècnica que proporciona una imatge en temps real de l'anatomia del pacient. Els vasos per a la inserció del catèter més comuns són les artèries femorals; no obstant, el gran diàmetre, l'alta pressió del sistema i la possible presència de plaques d'ateroma amb calcificacions en l'extensió arterial, augmenta el risc de complicacions. En aquests casos, la planificació preoperatòria de la intervenció sol ser completa i realitzada basant-se en la imatge de tomografia computeritzada del pacient, obtinguda a priori. A més, l'operador té limitat l’accés directe a ella dins del quiròfan, el que afegeix la necessitat de retenir l'estudi en la memòria i complica la presa de decisions en el cas de que apareguin problemes. La realitat augmentada es presenta com una tecnologia que ofereix un potencial difícilment assolible per la resta de les tècniques contemporànies per a l'exploració anatòmica de l'interior del cos humà. En conjunt amb sistemes de seguiment ocular, de mans i reconeixement de veu proporciona una eina òptima en la visualització de models tridimensionals d'estructures corporals i la interacció amb aquests. En el present Treball Fi de Grau es busca treure un model de l'anatomia interna del pacient, obtingut a partir de la tomografia computeritzada, i compilar-lo en unes ulleres intel·ligents. Amb això, es pretén facilitar el treball del metge, oferint informació al quiròfan de la situació de l’eix arterial aorto-ilio-femoral pel que va a avançar el catèter. A més, s’intenta reduir els temps d'operació i la dosi de radiació rebuda. Amb les imatges CT del pacient, es du a terme una segmentació de les parts anatòmiques i es realitza un model d'aquestes. Una millor visualització a través del dispositiu s'aconsegueix ajustant les textures i reduint la quantitat de polígons que componen la malla, el que agilitza la interacció del metge amb l'objecte. Amb el resultat òptim, i l'ús d'un sistema de desenvolupament de software compatible amb les HoloLens, es crea l'aplicació que, posteriorment, es compilarà en aquestes. En el dispositiu, es pot visualitzar el volum, sense necessitat de cables, i moure’l amb les pròpies mans, el que permet situar-lo a la part de l'espai desitjada. Pel que fa als materials utilitzats en el projecte, es requereix la instal·lació dels següents programes. La segmentació i creació del primer model es porta a terme mitjançant el 3D Slicer, la reducció del mallat amb MeshMixer i les textures, colors i materials amb Blender. Per lo que fa a la plataforma de desenvolupament, es fa servir Unity i el seu MixedRealityToolkit que facilita una sèrie de funcions bàsiques per a la creació d'aplicacions de realitat augmentada. Per finalitzar, l'IDE Visual Studio proporciona facilitat i rapidesa per compilar, connectar i ajustar les aplicacions als dispositius Windows, les Microsoft HoloLens 2, ulleres de realitat augmentada. En conclusió, els resultats dels sistemes aplicats solucionen els problemes associats al diagnòstic i la planificació quirúrgica al camp de la cardiologia; a més d'oferir possibilitats esperançadores per al tractament. Al treballar amb estructures anatòmiques del propi pacient personalitza l'exploració de l’eix arterial, es detecta amb facilitat la presència de calcificacions i es localitza en una part concreta de l’artèria, així com, es determina, de manera fidedigna, la secció d'aquest. Per últim, destacar que la programació de botons que apareixen a l'escena permet visualitzar diferents models a l'espai físic o, prescindir d'ells.

[EN] Improvements in cardiology are needed to address the various pathologies and dysfunctions of the heart, characterized by being the main cause of death in most developed countries. Within this field of medicine, percutaneous procedures are important in which a catheter is inserted into the vascular system and goes to the heart cavities. Currently, the control of the progress and placement of the probe is done with fluoroscopy, a technique that provides a real-time image of the patient's anatomy. The most common catheter insertion vessels are the femoral arteries, however, the large diameter, high system pressure, and the possible presence of atheroma plaques with extensive calcification in the arterial axis increase the risk of complications. In these cases, the preoperative planning of the intervention is complex and is carried out based on the computed tomography image of the patient obtained a priori. In addition, the operator has limited direct access to it intraoperatively, which means that he must memorize what has been studied and complicates decision-making in the event of problems. Augmented reality is presented as a technology that offers a potential that is difficult to achieve by the rest of contemporary techniques for the anatomical exploration of the interior of the human body. Together with eye tracking, hand tracking and voice recognition systems it provides an optimal tool in visualizing and interacting with three-dimensional models of body structures. This Final Degree Project seeks to extract a model of the patient's internal anatomy, obtained from computed tomography, and compile it into smart glasses. This is intended to facilitate the work of the doctor, providing him with intra-surgical information about the aorto-ilio-femoral arterial axis along which the catheter will advance. In addition, it is about reducing operating times and radiation doses received. With the CT images of the patient, a segmentation of the anatomical parts of interest is made and a model of these is made. Better visualization through the device is achieved by adjusting textures and reducing the number of polygons that make up the mesh, which speeds up the doctor's interaction with the object. With the optimal result, and the use of a software development system compatible with the HoloLens, the application is created that will later be compiled in these. In the device, you can view the volume, without the need for cables, and move with your own hands, which allows you to place it in the desired part of the space. As for the materials used in the project, the installation of the following software is required. The segmentation and creation of the first model is carried out using the 3D Slicer, the reduction of the mesh with MeshMixer and the textures, colours and materials are given with Blender. As for the development platform, it uses Unity and its MixedRealityToolkit which provides several basic tools for creating augmented reality applications. Finally, the Visual Studio IDE provides easy and fast way to compile, connect and adjust applications to Windows devices, the Microsoft HoloLens 2, augmented reality glasses. In conclusion, the results of the applied systems solve the problems associated with the diagnosis and surgical planning in the field of cardiology; in addition to offering promising possibilities for treatment. When working with the patient's own anatomical structures, he personalizes the exploration of the arterial axis, the presence of calcifications is easily detected and they are in a specific part of the vessel, as well as the section of the vessel is determined in a real way. In addition, the programming of buttons that appear in the scene allows to visualize different models in the physical space or, to do without them.