Introducción

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NeuroNavegación

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�INTRODUCCION

La Sociedad del Conocimiento demanda herramientas que pongan al servicio de los profesionales la información necesaria para prevenir y/o afrontar los problemas de salud que pudieran aparecer. Herramientas que les permitan facilitar y mejorar su calidad asistencial de una forma sencilla.

Nadie duda de la extraordinaria magnitud que tienen las Neurociencias, tanto por su impacto sobre la salud y la calidad de vida de la población como por sus implicaciones económicas, políticas, sociales y culturales.

Por un lado, los continuos avances tecnológicos, la creciente utilización de equipos de alta tecnología para el diagnóstico de enfermedades neurológicas y psiquiátricas, el mayor número de profesionales interesados en esta área de conocimiento, el incremento en el número de hospitales, las mejoras tecnológicas de los mismos, etc., no hacen más que aumentar el interés en esta área de conocimiento, reflejada en un importante incremento en el número de artículos publicados.

Por otro, existe una progresiva aparición de empresas y grupos de investigación centrados en el cerebro humano (dedicadas a neurofármacos, neurodispositivos y neurodiagnóstico), con un denominador común: la necesidad de disponer de información multidisciplinaria, contrastada y meta-analizada siguiendo el paradigma de la Medicina (o mejor dicho, Neurociencia) basada en la Evidencia.Y para cubrir estas necesidades son necesarias importantes:

Inversiones económicas (contratación de personal de alto nivel científico-técnico),

Inversiones en tiempo (dado que estos procesos suelen ser complicados y lentos de realizar).

Brain Dynamics, selecciona cuidadosamente avances tecnológicos para aplicar en campos concretos, hace uso y crea lo que hoy conocemos por cutting-edge technology y lo que es más importante, 1

Término referido a tecnología muy novedosa pero que no conlleva el grado de riesgo que contienen las bleeding edge 1

technologies (tecnología no perfeccionada) que en manos de usuarios finales produciría riesgos sobre la estabilidad y productividad

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Nº ARTICULOS/AÑO

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gracias al personal altamente cualificado las integrará generando una tecnología mejorada e incluso tecnología nueva para el cliente.

¿Y de Qué estamos hablando? El objetivo general es ofertar un sistema de neuronavegación innovador mediante el cual el especialista pueda acortar esos tiempos de preparación de cada intervención quirúrgica, pues le muestra la anatomía del sujeto propio que va a operar, le indica cuál es el abordaje quirúrgico óptimo en términos de minimización de las posibles secuelas, así como le proporciona acceso al conocimiento incluido en la base de datos de conocimiento de Brain Dynamics (NeuroSeek).

El software de neuronavegación es una de las herramientas más punteras de la neurocirugía y radiocirugía utilizada para reconocer con toda claridad la ubicación, forma y volumen de la/s patología/s a tratar, planificar el abordaje terapéutico, y minimizar el impacto sobre las capacidades del paciente.

Esta herramienta permite al profesional obtener una imagen precisa de la zona afectada, su ubicación exacta y determinar el camino más adecuado para acceder a ella. El médico puede observar continuamente la orientación y las características de la lesión que se retira, y también puede planear la cirugía antes incluso de proceder a la cirugía, e incluso sabiendo qué estructuras están en trayectoria de abordaje, dónde están las áreas que no deben ser destruidas y cuáles son los límites de la lesión que se extirpará, si los hubiere.

Por si mismo, la creación de un neuronavegador con estas características no difiere mucho de los existentes en el mercado. Pero cuando se le añade la capacidad de visualización utilizando realidad virtual o realidad aumentada, la utilización de interfaces gestuales, y la integración con la base de conocimiento NeuroSeek, es cuando el producto resultante adquiere características únicas que lo posiciona por delante de los neuronavegadores clásicos, al aportar unos claros valores añadidos como: la inmersión virtual, la facilidad de interacción y el acceso a conocimiento meta-analizado. Todo ello en tiempo real.

¿Cómo está construido? En Brain Dynamics, se han ensamblado tres líneas de productos/servicios principales, que se complementan uno sobre la base del otro para la construcción del Sistema de Neuronavegación que se describe.

Este sistema de “capas” estructurales del sistema de neuronavegación se explican brevemente a continuación:

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A. Integración  con  la  Base  de  Datos  de  Conocimiento  NeuroSeek  

Mostrar únicamente información sobre la estructura cerebral mediante el uso de un sistema software no es complicado y no supone de por sí misma ninguna ventaja competitiva con respecto a otros sistemas de neuronavegación, pues el conocimiento de la anatomía a nivel estructural se mantiene relativamente fija en el tiempo, salvo en aquellos casos clínicos donde por ejemplo tumores cerebrales pueden deformar la estructura normal tanto a nivel de sustancia gris como de sustancia blanca (tractos).

Además, cuando un profesional de la neurocirugía, por ejemplo, debe preparar una intervención, se enfrenta ante diversos problemas, necesita un gran esfuerzo para obtener información meta-análizada y otros tipos de conocimiento cuyos costes en tiempo y esfuerzo suelen ser importantes, y además muy relacionados con la experiencia clínica del profesional. No siempre puede realizar esa labor de asimilación con garantías de haber accedido a la información verdaderamente relevante, y sobre todo, la necesidad de obtener la experiencia suficiente sobre una técnica quirúrgica completa.

Sin embargo, el acceso a información meta-analizada y contrastada según criterios de Neurociencia Basada en la Evidencia acerca de la función de cada área del cerebro y cómo estas áreas están interconectadas tanto física como funcionalmente, requiere una labor de análisis y meta-análisis de múltiples referencias bibliográficas en ocasiones mostrando informaciones aparentemente contradictorias.

Por ello, nuestro sistema de Gestión del Conocimiento NeuroSeek, gracias a su estructura de servicios web permite, utilizando el mismo sistema de coordenadas estereotáxicas, sincronizarse a nivel milimétrico con el sistema de neuronavegación.

Es por ello que en el sistema de neuronavegación que mostramos hace uso de los servicios web para la la comunicación con la base de datos de conocimiento NeuroSeek. Esta integración abre un interesante aspecto: Acceso a conocimiento por medio de la Internet del futuro.

Hasta la actualidad, los navegadores únicamente presentaban la información anatómica correspondiente a un sujeto. Sin embargo, y aunque es de utilidad particularizar la anatomía que se aprende en clase y en los libros de Anatomía al sujeto en cuestión, es mucho más importante, y con mucha mayor relevancia clínica, el conocimiento de otro tipo de información distinta pero relacionada con la anatomía, y que aporta NeuroSeek:

Relación entre las diversas estructuras cerebrales y las funciones cognitivas. Por ejemplo, determinar que la función principal de la corteza calcarina en el lóbulo occipital es la visión, y viceversa, ¿cuáles son las estructuras cuya activación se produce al realizar tareas visuales?

Relación de co-activación entre distintas partes del cerebro ante un estímulo dado o al realizar una tarea cognitiva determinada. Es importante notar que las activaciones deben suceder a la vez, o casi simultáneamente.

Relación de conexión física, determinada por los tractos neuronales que conectan diversas áreas cerebrales. Puede existir conexión física y no relación de co-activación funcional y viceversa.

Relación de genes y proteínas que se expresan en cada zona cerebral.

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Todo este conocimiento, y otros no nombrados pero no menos importantes, se encuentra en NeuroSeek, accesible mediante servicios web, y convirtiéndose en una innovación con respecto a otros sistemas de neuronavegación actuales.

B. Sistema  de  Procesado  en  Neuroimagen  y  Bioseñales  

El gran avance en las tecnologías de la imagen aplicadas al cerebro ha coincidido con un extraordinario incremento en el número de investigaciones centradas en la organización estructural y funcional del cerebro. La estructura del cerebro humano es tan compleja y tan distinta de una persona a otra que se requieren campos de investigación como visión por computador, análisis de imágenes, gráficos por ordenador, e inteligencia artificial para manipular, analizar y comunicar datos del cerebro. Son muchas las tecnologías aplicables en este campo, debiendo resaltar las siguientes:

Adquisición de imágenes cerebrales procedentes de diversas modalidades, siguiendo el estándar DICOM y con un protocolo de adquisición según las necesidades del caso.

Técnicas de procesamiento de imagen, como son los métodos de normalización espacial, la fusión de imágenes provenientes de múltiples modalidades (MRI, PET, SPECT…), y el registro de imágenes procedentes de un solo sujeto: objeto de estudio por ser paciente neuroquirúrgico o radioquirúrgico, o por sufrir patologías que son tratables con Estimulación Magnética Transcraneal (Transcraneal Magnetic Stimulation, TMS) siendo necesario un sistema como el que se muestra para asegurar que trabajamos en la zona del cerebro deseada.

Manejo de estudios basados en señales electrofisiológicas

Representación tridimensional de imágenes, así como el uso de otras técnicas de visualización de la información.

C. Sistema  de  Neuronavegación  

El cálculo del abordaje quirúrgico óptimo es un problema de gran importancia, pues de la elección de un abordaje adecuado depende la cantidad de secuelas que se puedan dar como producto de la intervención quirúrgica.

No es un problema que se resuelva de forma computacional o algorítmica hasta ahora. En base a la experiencia del cirujano, y a las imágenes adquiridas para el individuo que se va a intervenir, se decide qué trayectoria es la más adecuada para la intervención.

La implementación de un sistema de ayuda a la planificación quirúrgica como el que dispone nuestro Sistema de Neuronavegación basada en el Conocimiento son de ayuda al neurocirujano para optimizar su tiempo y recursos, pues este sistema podrá realizar dos misiones:

Dado un abordaje quirúrgico por el especialista, estimar qué posibles secuelas podrían darse como fruto de dicha planificación, teniendo en cuenta las zonas anatómicas que se pueden ver afectadas durante la intervención.

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Dado un punto del interior del cerebro, estimar qué trayectoria es la optima para acceder a dicho punto, según diversos criterios, como puede ser el de realizar una incisión de longitud mínima o el de minimizar las secuelas funcionales producidas por el corte.

Es de notar que todo esto es posible gracias a la conexión del sistema de neuronavegación con la base de datos de conocimiento de Brain Dynamics, que posee la información funcional, conectiva, etc. de cada estructura cerebral.

¿Como puede interaccionar el Usuario? Además de la clásica interacción utilizando teclado y ratón, el Sistema de Neuronavegación que proponemos es capaz de utilizar interfaces de usuario avanzadas. Así pues, utiliza adicionalmente tecnologías de visualización de información compleja e interfaces de usuario avanzados:

a) Sistemas de Realidad aumentada para representar información “por capas” sobre la imagen real de un sujeto (ya sea pre- o intraoperatorio).

b) Simulación 3D mediante paralaje de movimiento. Esta técnica, de reciente difusión, es adecuada para la visualización 3D en entornos de realidad virtual, ya que se consigue que el usuario, dependiendo de su posición con respecto a la pantalla donde se muestra la información, vea diversos ángulos del objeto 3D, en este caso, el cerebro.

c) Cambio en el punto de vista del observador, en el sentido de que será capaz de ver e interactuar desde fuera del cráneo y desde una zona anatómica interna determinada (por ejemplo, la amígdala). Este nuevo y simple concepto aporta una valiosa información docente, asistencial e investigadora.

La aplicación de estas técnicas hace posible un nuevo modelo de navegación virtual por el cerebro humano, la neuronavegación virtual basada en el conocimiento o neuronavegación tractográfica, en la que el usuario recorre las conexiones neuronales a modo de “autovías”, pudiendo conocer de primera mano qué estructuras están conectadas y cuáles son los caminos que sigue la información en el interior del cerebro.

¿Qué Escenarios de Uso puede tener? Tres son los escenarios fundamentales en Neurociencia: el docente, el asistencial y el investigador. En estos casos se hace necesario el acceso a la información compleja por parte del estudiante o del especialista en la práctica diaria (neurocirujano, oncólogo radioterapico, etc). Lógicamente, cada tipología de usuario tendrá acceso a los módulos necesarios para las funcionalidades que le correspondan:

Docente: Un sistema de Neuronavegación como el que se muestra puede ayudar a crear nuevas formas de estudio de estos contenidos. En cualquier caso, este enfoque docente es perfectamente válido para la formación de grado, postgrado y especializada. Sobre todo si tenemos en cuenta la importancia que el Plan Bolonia da a estos métodos docentes innovadores.

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Asistencial: Un equipo de neurocirujanos puede planificar la intervención que llevará a cabo, utilizando las imágenes adquiridas del sujeto que se va a intervenir. De esta forma, los tiempos de preparación de una intervención se reducen de forma drástica, al igual que los riesgos durante la misma.

Investigador: Los avances en técnicas quirúrgicas surgen mediante la aplicación práctica de ideas teóricas a situaciones reales. A priori no se sabe si cierta técnica que, en teoría debería resultar eficaz para una determinada intervención, será factible en la práctica. Sin embargo, el uso de un sistema de Neuronavegación enfocado a simular abordajes quirúrgicos proporcionará una excelente herramienta para investigar nuevos abordajes sin necesidad de hacerlo sobre un paciente real.

¿Cómo puedo adquirirlo? Nuestra plataforma de neuronavegación bien en su versión docente o en la profesional pueden ser accesibles de las formas siguientes:

1. PLATAFORMA WEB

Accesible vía internet, el usuario envía el/los estudio multimodalidad deseados, el sistema lo anonimiza, realiza el procesado elegido, los normaliza en el mismo espacio de coordenadas, y los resultados obtenidos quedan almacenados en la zona privada del usuario, donde puede acceder para poder utilizar la potencialidad de nuestro sistema utilizando sencillas acciones sobre el software de Neuronavegación que es necesario instalar previamente en el ordenador local del usuario.

2. PLATAFORMA HARDWARE/SOFTWARE

En aquellos casos en los que existan problemas de conexión internet por cualquier naturaleza (seguridad, ancho de banda, política hospitalaria, etc) o simplemente se desea ser autónomo , ofertamos este tipo de plataforma, la cual incluye:

Sistema Hardware de altas prestaciones

Plataforma NeuroSeek (Gestor basado en el Conocimiento)

Plataforma de procesado en Neuroimagen

Sistema de Neuronavegación

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El Escritorio de Trabajo Una vez realizado el login por parte del usuario, introduciendo sus credenciales de usuario accede al panel de proyectos de planificación, donde se muestran las distintas planificaciones realizadas o en proceso de realización. Hay que destacar que cada proyecto es accesible, según el nivel de acceso, a d i s t i n tos p ro fes iones como neuroc i ru jano , neurofisiólogo, etc.

En cada cada proyecto quedan almacenados todos los datos con los que se esta o se ha estado trabajando: imágenes de diversa modalidad (CT, RMI, fRMI, DTI, PET, SPECT, etc), datos neurofisiológicos (ECOG, registros de electrodos, etc), planificación realizada, medidas del target, etc.

En este panel de proyectos existen, además una serie de botones que permiten el acceso a funciones secundarias como reasignación de privilegios, cambios en la configuración de visualización, salir del sistema, etc. Una vez seleccionado el proyecto de nuestro interés aparecerá la pantalla de trabajo con las herramientas propias según el tipo de usuario que lo está usando, con un aspecto similar a la mostrada a continuación:

En el escritorio de trabajo se pueden ver claramente en nuestro ejemplo la reconstrucción 3D del cerebro problema (donde se han suprimido todas las estructuras que no son cerebrales (mediante algoritmos especializados), los tres cortes ortogonales en el margen derecho del escritorio (el cual puede dejarlo fijo o móvil, es decir, solo visible cuando se realiza clic sobre el margen derecho) y un menu desplegable donde aparecen las funciones principales de visualización y navegación

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Una vez avancemos en la planificación, podemos tener múltiples ventanas flotantes que ayudan a realizar las acciones deseadas sobre el cerebro que estamos visualizando. Estas ventanas serán descritas en los apartados siguientes. Un ejemplo de escritorio de trabajo con diversas ventanas puede ser el mostrado a continuación:

Menu Principal En el menu desplegable de la parte superior del escritorio se distinguen (de izquierda a derecha) los siguientes iconos que dan acceso a las funciones siguientes:

Open Volume Tools

Esta opción muestra la ventana flotante que da acceso a las diversas formas de visualización del volumen cerebral objeto de estudio: Brain Extraction, 3D to Slices, Show Selected ROI (Region of Interest) List y Opacity.

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Open Tracks Tools

Al seleccionar esta opción aparecerá la ventana flotante dedicada a Fiber Tools. En ella se muestran una serie de iconos para visualizar los tractos de diversas formas (Visualization Mode).

En el caso de seleccionar la visualización tractográfica se activará el apartado Data Type, donde podrá elegir si los tractos representan la Dirección predominante (Predominant Direction), Anisotropía Funcional (Fractional Anisotropy) y Difusividad Media (Mean Diffusivity).

En los casos comentados en el párrafo anterior la ventana se agrandará para mostrar la escala de colores para representar el dato elegido.

Surgical Planning Tools

En esta ventana se muestran cuatro botones cuyas funciones son:

1. Target: Establecer nuestro foco o zona objetivo. Para ello se muestra una ventana para preguntar si se desea seleccionar el target introduciendo las coordenadas dentro del marco esterotáxico o seleccionando una Región de Interés (ROI), tal y como se muestra a continuación:

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2. EntryPoint: Punto de entrada para llegar al Target. El EntryPoint puede establecerse de Igual forma que en el caso anterior.

Una vez establecido el Target y el EntryPoint, y estableciendo el radio (Radius) en mm, se configura un cilindro de las dimensiones establecidas, y que representa la trayectoria quirúrgica deseada.

Otros dos botones (funcionalidades) que diferencian nuestro sistema de neuronavegación de otros existentes en el mercado son los denominados Estimator y Recommender.

3. El botón Estimator (Estimador), realiza la estimación de posibles daños según la trayectoria elegida.

Esta estimación es posible gracias a la capa de Conocimiento (NeuroSeek), de forma que en todo momento se conoce qué zonas anatómicas y tractos pueden ser dañados, y a su vez, relacionar estos daños con Dominios Cognitivos (Behavioral Domain) y otros elementos de la capa de conocimiento.

En función de todos los valores se calcula un número global que indica el daño realizado para la trayectoria elegida.

4. El botón Recommender (Recomendador), realiza la estimación de posibles daños para un número elevado de trayectorias, determinando cuál de ellas presenta una menor estimación de daños estructurales y dominios cognitivos, los cuales son representados en forma de porcentaje y calculando al final un valor numérico único (Aftermath), al igual que realiza el botón Estimator.

Resalta, justo debajo del botón, un valor numérico (Seeds, Semillas), que por defecto se encuentra establecido en 500 y cuyo significado es el número de interacciones que el sistema realiza para encontrar la trayectoria óptima. Cuanto mayor sea este valor, mayor capacidad de cálculo será necesariaEste valor puede variarse, teniendo en cuenta que cuanto mayor sea este, mayor número de interacciones se realizan con el correspondiente consumo de cálculo por parte del ordenador; a cambio los resultados serán mejores.

Es necesario resaltar que, además de estas funcionalidades, el sistema acepta reglas que no deben incumplirse o que lanzan algún tipo de alerta como por ejemplo la afectación de las áreas motoras o de aquellas relacionadas con el lenguaje.

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Como ejemplo de los valores obtenidos para dos trayectorias distintas puede verse a continuación:

Open Metric Tools

El sistema de neuronavegación realiza de forma automática una serie de cálculos como volumen de un tumor o zona anatómica determinada, longitud de la trayectoria quirúrgica, etc.

De forma adicional, también dispone de Herramientas de medida para calcular la distancia entre dos puntos, o ángulos. Un ejemplo de la ventana en cuestión puede verla a continuación.

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Open Search Tools

Esta opción da acceso a la ventana de búsqueda de estructuras anatómicas, Areas de Brodmann, Genes, funciones proteicas, etc. A continuación se muestra una captura de esta ventana:

Exit

Cierra el escritorio para la planificación en curso.

Existen más opciones muy interesantes, pero …mejor solicite una demostración.

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Recuerde que nuestro sistema de Neuronavegación dispone de una versión para uso Docente. Dependiendo de los usuarios finales, las funcionalidades pueden estar reducidas, pero siempre tenga en cuenta que:

Puede disponer de una función reducida o completamente funcional (útil como simulador para la especialización de los profesionales).

Los Casos Clínicos son siempre los mismos, siendo imposible introducir casos nuevos.

Puede solicitar a Brain Dynamics la inclusión de casos concretos que una vez introducidos no podrán ser modificados.

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Mucho más que un neuronavegador para uso docente

BRAIN DYNAMICSEdif. Bioinnovación Universidad de Málaga C/Severo Ochoa, 34. Parque Tecnológico de AndalucíaCampanillas, 29590-Málaga, España

Teléfono:     +34  951  136  978  Móvil:     +34  653  937  331  e-­‐mail:   info@brain-­‐dynamics.es  web:     www.brain-­‐dynamics.es