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1er Congreso Virtual Iberoamericano de Informática Medica. Octubre 30 a Noviembre 30 en Internet.

Capitulo SADIO en Informédica 2000 Trabajo original presentado en el Simposio de Informática en Salud 2000

(SIS2000) de las 29avas. Jornadas de la Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativa, Tandil, Septiembre de 2000. Fuente:

Proceedings 3rd. Argentine Symposium on Healthcare Informatics, SADIO, Tandil, September 2000.

Herramientas de soporte para neurocirugía.

Autores:

1.- UNBA. Ciudad universitaria, Buenos aires. 2.- FI, Lab. de Visión 3D, Estéreo y Control. UNBA. Paseo Colón 850, Buenos Aires.

3.- INCA, Facultad de Ciencias Exactas. UNCPBA. Campus Universitario, Arroyo Seco, (7000) Tandil. 4.- Servicio de estereotáxia y radiocirugía. Hospital Militar Central. Luis María Campo 724.

5.- Facultad de Ciencias Exactas. UNCPBA. Campus Universitario, Arroyo Seco, (7000) Tandil.

Dirección electrónica para enviar información: FERNANDEZ AUSINAGA, José Luis. [email protected]

Resumen.

Con el objeto de facilitar el diagnóstico de lesiones cerebrales, diversas prácticas invasivas – biopsias, intervenciones quirúrgicas, etc. -, y aportar tanto un soporte didáctico como de entrenamiento a estudiantes y residentes de neurocirugía, se han desarrollado estas herramientas. Consisten, esencialmente, en la posibilidad de visualizar cortes virtuales de imágenes 3D de Atlas Cerebrales. Para definir estos cortes se tienen en cuenta, tanto la dirección determinada por una cierta posición del soporte de instrumento quirúrgico por medio del marco estereotáxico como el extremo de dicho instrumento. También se han incluido una serie de herramientas adicionales.

Palabras Claves: Estereotáxia; Imagen 3D; Atlas Cerebral; Resonancia Magnética; Neurocirugía.

CASTELAO, Diego Hernán.5.

FERNANDEZ AUSINAGA, José Luis.5.

MALISIA, Fabio Nazareno.5.

ZELASCO, José Francisco. 1,2,3. PASQUALINI, Eduardo.4.





1.- Introducción.

Cualquier daño en un sistema neurofuncional, el cual esta compuesto por grupos de neuronas que transmiten y coordinan señales, o en un vaso sanguíneo puede provocar daños funcionales graves y no reversibles v.g.: una hemianopsia - disminución o pérdida completa de la visión en una mitad del campo visual de uno o ambos ojos -, parálisis, hemorragias, entre otros. Por esta razón estos sistemas y el aparato circulatorio del cerebro representan zonas de riesgo para el neurocirujano encargado de la intervención y debe ser bien conocida su ubicación de manera de evitar todo tipo de lesión.

Esto ha llevado a desarrollar un planeamiento preoperativo importante que involucra técnicas que tienen como objetivo minimizar estos riesgos, por ejemplo, estudiando el modo de abordaje a la lesión, el cual puede ser estereotáxico, endovascular o por microcirugía en cerebro expuesto.

La utilización de imágenes obtenidas por distintos métodos, tales como, tomografía computada (TC), imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI), tomografías por emisión de positrones (PET), tomografía computada por emisión de fotones simples (SPECT), técnicas angiográficas, etc., permiten confirmar y localizar los sistemas neurofuncionales y los flujos sanguíneos. Se obtiene así información vital que redunda en diagnósticos más precisos, en facilitar el análisis preoperativo y también durante la intervención quirúrgica, disponer de guías y referencias oportunas que facilitan la operatoria.

Este trabajo consiste en desarrollar herramientas que utilizando imágenes 3D del tipo mencionado ut supra, compongan representaciones virtuales cerebrales, con el fin de asistir, aún más, al neurocirujano antes y durante la intervención, permitiendo garantizar un mejor pronóstico.

En los siguientes puntos se desarrollaran: en el 2.- Elementos de Base, se hace una presentación general del la técnica de estereotáxia, imágenes 3D, y atlas cerebral; en el 3.- Herramientas de Visualización, se describen las distintas técnicas para el posicionamiento en el espacio de las estructuras cerebrales, como también las lesiones por medio de marcos referenciales que son estructuras sólidas que se fijan a la cabeza del paciente; en el 4.- Herramientas Adicionales, se describen utilidades adicionales y por último en el punto 5.- Conclusiones.

2.- Elementos de Base.

2.1.- Estereotáxia.

La utilización de guías mecánicas para alcanzar puntos intracraniales con un instrumento quirúrgico, (sondas, electrodos, agujas de biopsias y semejantes), fue propuesta en 1873, cuando se realizaron experimentos con animales.

Los primeros elementos y principios de estereotáxia fueron descriptos en 1906 por Henry Clarke y Víctor Horsley, quienes afirmaron que “por estos medios cada milímetro cubico del cerebro podría ser estudiado y registrado”.

Un marco estereotáxico es un mecanismo utilizado para posicionar instrumentos, con una gran precisión, en un espacio tridimensional. Si bien estos han sido mejorados desde entonces, cumplen las siguientes características:

• Un soporte fijado a la cabeza que se mantiene rígido con relación al cráneo.

• Un sistema para dirigir mecánicamente un instrumento a un punto definido dentro del cráneo.





• Un sistema para la obtención de datos estereotáxicos, es decir posicionamiento de los distintas estructuras de interés y de lesión o lesiones en términos de coordenadas 3D.

• Una sonda u otro instrumento quirúrgico el cual pueda ser dirigido, soportado por el marco y dirigido a un punto especifico predeterminado.

• Un método para confirmar la ubicación de la sonda o instrumento dentro del cráneo.

Para localizar un objetivo intracranial en el espacio definido por el marco, debe ser expresado en coordenadas del marco estereotáxico. Para ello se deben cumplir tres puntos importantes:

• El objetivo debe ser visualizado por algún medio de los ya mencionados. (MRI, TC, etc.)

• Sobre la imagen es necesario que exista un conjunto de puntos, cuyas posiciones son conocidas con respecto al sistema referencial del marco y se debe poder generar un sistema de coordenadas a partir del mencionado conjunto de puntos, el cual se debe poder transformar al referencial definido por el marco. Es decir, se debe disponer de los elementos que permitan relacionar los referenciales del marco y de las imágenes, incluida la generada por el Atlas Cerebral al que nos referiremos más tarde.

• Debe existir un método para verificar la posición del objetivo con respecto al marco y de esta manera confirmar la posición de los instrumentos guiados estereotáxicamente.

Existen marcos que utilizan el sistema de coordenadas cartesiano y otros que utilizan el sistema de coordenadas polares, pero el más utilizado es el primero, por razones prácticas mecánicas.

Muchos sistemas de marcos estereotáxico han sido elaborados. Podemos mencionar entre otros a los sistemas ortogonales simples y a los sistemas montados sobre la perforación de abordaje. Para desarrollar nuestro trabajo consideramos parámetros provenientes de un marco de sistema arco-cuadrante, y nos referimos a éste como marco estereotáxico, o marco, para abreviar.

El concepto de arco-cuadrante fue descripto por Leksell en 1949, consiste de un arco y un cuadrante, donde la rotación sobre el eje horizontal está definida por el cuadrante, mientras el arco define la rotación sobre el eje vertical. El arco-cuadrante define una esfera, la sonda es dirigida en forma perpendicular a la tangente del arco y al cuadrante, hasta una profundidad igual al radio de la esfera (Fig. 1). De esta manera, se alcanza el objetivo ubicado en el isocentro. Para lograr que el punto intracranial este ubicado en el centro de la esfera, algunos sistemas desplazan la cabeza del paciente, y otros desplazan el arco-cuadrante manteniendo fija la cabeza del paciente.

Isocentro

Radio de la esfera definida por el sistema arco-cuadrante

Guía del instrumento quirurgico





Fig. 1. Descripción del sistema arco-cuadrante.

Los investigadores han trabajado en base a los primeros sistemas estereotáxicos, mejorando sus prestaciones de acuerdo a sus propias necesidades, en consecuencia hoy existe una amplia variedad de instrumentos. Estos tienen sus respectivas ventajas y desventajas, en general casi todos presentan dificultades para el abordaje de ciertas lesiones, y se puede afirmar que no se ha logrado acabadamente un instrumento apto para todos los casos. Además, en la gran mayoría de ellos se encuentran similitudes con los primitivos elementos descriptos por Clarke y Horsley.

2.2.- Atlas Cerebral.

Un atlas cerebral le permite al neurocirujano definir y ubicar estructuras cerebrales en un espacio tridimensional, ver relaciones entre ellas y además de poder confrontarlo con el de uno o más individuos. Ellos describen aspectos de la estructura del cerebro, sus funciones y sus relaciones, a la que se agregan esquemas de indexación y nomenclaturas. Luego de una apropiada registración, con una imagen 3D del cerebro del paciente se puede aportar toda la información mencionada a la respectiva imagen vinculándo la lesión con su entorno.

Los atlas cerebrales son elaborados a partir de las observaciones anatómicas de un número variable de preparaciones cerebrales. En humanos y otras especies, la complejidad del cerebro y variabilidad entre sujetos es tan grande que el uso de atlas es esencial para manipular, analizar e interpretar datos del cerebro efectivamente. La utilidad del atlas depende de un sistema de coordenadas apropiado, de una correcta registración, que aplique buenos métodos de deformación y una adecuada estrategia de visualización, lo cual está estrechamente vinculado con el tema central de nuestro trabajo.

La registración es necesaria para aportar, con una métrica precisa, la información del atlas cerebral, a la imagen 3D de un paciente en particular. El éxito de cualquier atlas depende de que tan bien la anatomía y sus puntos de referencia están descriptos.

Isocentro

El arco describe la rotacion sobre el eje X

El cuadrante describe la rotación sobre el eje Y

X

Y

Z





2.3.- Imágenes 3D.

También llamadas imágenes de visualización de volumen, surgen como resultado de la transformación de volúmenes reales en un conjunto de prismas denominados voxels. Un voxel es la unidad de visualización en una imagen 3D (I3D), y puede verse como la extensión a la tercera dimensión de la noción de pixel.

Entre las imágenes médicas, las imágenes 3D son de inmensa utilidad y su tratamiento automático se ha desarrollado en forma importante en los últimos años debido al desarrollo de aplicaciones médicas. En estas imágenes es común que el voxel sea un parelelepípedo o un prisma rectangular. La información se toma de un sistema tomográfico como un conjunto de cortes apilados para poder construir un objeto de tres dimensiones (Fig. 2). Estos planos dan la información que consiste en el nivel de gris y la dimensión de la base del prisma. La altura del voxels está dada por la separación entre dichos planos.

La resolución en un plano es habitualmente mayor a la definida por la separación entre los mismos, es decir, por lo general una imagen de un plano contiene 256*256 pixeles y la cantidad de planos es de 80. Como un ejemplo se puede ver que las dimensiones de un voxel de una tomografía computada son 0.8 mm2 *

2 mm o más de altura. Dicha diferencia de valores direccionales se la conoce con el nombre de anisotropía.

Fig. 2. Etapas en la construcción de una imagen 3D a) A partir de proyecciones de una dimensión es construida una imagen bidimensional (Corte). b) Con varios cortes se construye un modelo de voxel tridimensional (Imagen 3D).

Las imágenes de resonancia magnética tienen la ventaja intrínseca de la digitalización en tres dimensiones, pero tienen relativamente poca resolución y carecen de contraste anatómico en subregiones importantes. Una resolución de 150 placas, separación de 2 mm y planos de imágenes de 256*256 pixeles no alcanza para describir con suficiente precisión y detalles la complejidad de algunas estructuras neuroanatómicas.

3.- Herramientas de Visualización.

(a)

(b)





3.1.- Formas de visualización.

Para visualizar cortes de la I3D en planos arbitrarios se procede buscando la intersección de la imagen 3D con dicho plano mostrando en cada pixel de dicho plano los valores de gris que surjan de cada voxel interceptado. Esta visualización se logra dividendo la I3D en dos partes con un plano, y mostrando la figura formada sobre el plano. A esta figura se denomina corte virtual. Para decidir acerca del corte que interese visualizar se toma como referencia la posición del instrumento quirúrgico guiado por el marco estereotáxico. El corte es calculado en función de parámetros dados por el marco estereotáxico y, además, se define un punto intracranial (llamado también punto objetivo) determinado por alguna posición que se quiera alcanzar con el instrumento. También es fundamental la dirección de abordaje, que está ligada a la posición del instrumento guiado por el marco.

A partir de los cortes, el neurocirujano puede comparar y reconocer estructuras, evaluar distintas formas de abordaje comparando riesgos, obtener información precisa e inmediata sobre los sistemas neurofuncionales afectados por una cierta dirección de abordaje, detectar anomalías o deformaciones estructurales, y una variedad de otras utilidades hasta llegar a las funcionalidades de un navegador cerebral. Conocer a priori las estructuras afectadas por el eventual paso del instrumento, es de suma importancia para analizar y planificar la forma de abordaje más conveniente.

Dado que el Atlas puede ser almacenado como una imagen 3D, también sería posible visualizar en el atlas, por medios de cortes apropiadamente direccionados y a partir de parámetros de posición de un instrumento y dirección de abordaje, la forma más conveniente de realizar la intervención pero esta vez teniendo en cuenta, además, estructuras sensibles y no visibles por medio de imágenes 3D. En este caso es necesario realizar la registración del atlas y de la imagen 3D del paciente en cuestión, registración que en algunos casos podría reducirse a una puesta en escala de ambos.

3.2.- Cortes Generados.

En el sistema arco-cuadrante la dirección de abordaje esta dada por dos ángulos (uno desde el plano horizontal y otro desde el plano vertical) y la posición del punto intracranial esta determinada por la distancia recorrida por el instrumento desde el borde del arco, esta distancia es conocida como profundidad.

De acuerdo a estos parámetros se generan los siguientes cortes:

• Corte paralelo: es aquel que contiene a la recta por la cual se desplaza el instrumento (Fig 3). Cualquier corte que contenga esta recta es determinado mediante un parámetro adicional, que indica un ángulo de rotación sobre la dirección de abordaje. Sobre el corte se observan la dirección y punto objetivo junto con las estructuras cerebrales que se encuentran afectadas por el paso del instrumento.

• Corte perpendicular o normal: corte que contiene el punto definido por la punta del instrumento y es perpendicular a su trayectoria (Fig. 4). Este tipo de corte permite ver un panorama general de las estructuras que va atravesando el instrumento.

• Corte axial, coronal y sagital: Corte axial, está dado por la imagen 3D; el coronal y el sagital lo proporciona el sistema De estos cortes se pueden visualizar aquellos que contienen el punto objetivo.





Fig. 3. Corte Paralelo al instrumento. La linea amarilla indica la trayectoria descripta por el instrumento, y la linea roja señala el plano perpendicular a la dirección del instrumento.

Fig. 4. Corte perpendicular a la dirección del instrumento, la cruz indica la posición del intrumento quirurgico, notar que además el plano contiene la posición del extremo del instrumento.

En la práctica el neurocirujano esta entrenado para reconocer las estructuras neurofuncionales observadas sobre los cortes axiales. Está menos habituado en reconocer estructuras para los cortes sagitales cuando no pertenecen a la línea media y en general para los coronales. Por supuesto, le es muy difícil reconocer estructuras cuando los cortes corresponden a planos de direcciones arbitrarias es por ello que una de las funcionalidades consiste en posibilitar la visualización de los cortes axiales centrados en el extremo del instrumento cuando el mismo está ingresando en una dirección arbitraria. Es decir mientras el instrumento entra es posible visualizar simultáneamente, el corte normal al instrumento en su extremo, el corte axial





centrado en el extremo del instrumento y el corte de ángulo elegido, paralelo a la trayectoria.

4.- Herramientas adicionales.

Una herramienta adicional que se brinda es la de generación de videos. Estos son secuencias de cortes. Con ellos el profesional de la medicina puede realizar trabajos preoperativos y trabajos de diagnostico. Como trabajos preoperativos le ayuda a la planificación del abordaje mostrándole rápidamente las estructuras neurofuncionales puesta en juego en una cierta forma de intervención quirúrgica. En forma de diagnostico permite visualizar deformaciones u otro tipo de anomalías en el cerebro entre otras posibilidades.

Otra utilidad es almacenar cualquier corte. Con el fin de poder realizar comparaciones entre cortes del mismo paciente u otro, control de evolución, evaluación de casos, etc. Este almacenamiento se realiza con los parámetros de marco e instrumento de manera de poder reproducir esta situación y hacer comparaciones en el tiempo.

5.- Conclusiones.

Este conjunto de herramientas han resultado de sumo interés para una mayor solvencia tanto en el diagnóstico como en el tratamiento de lesiones cerebrales cuando se recurre a métodos invasivos. Cabe mencionar también que tienen una muy importante utilidad tanto sea con fines didácticos como a los efectos de prácticas de entrenamiento para residentes de esta especialidad.

Referencias Bibliográficas.

Arthur W. Toga & John C. Mazziotta. : “Brain Mapping. The Methods”. Academic Press (1996).

Hans-Jochim Kretshmann & Wolfgang Weinrich.: “Neurofunctional Systems”. Thime (1998).

Patrick J. Kelly.: “Tumor Stereotaxis”. W.B. Saunders Company (1991).

Alan Watt.: “3D Computer Graphics”. Adison-Wesley (1993).

Alejandra V. Donadío, Daniel E. Mendez. Director: DEA José F. Zelasco.: ”Vision 3D. Tratamiento de Imágenes Estereoscopias. Restitución Automática. Evaluación de Resultados”. Tesis de Grado. Facultad de Ciencias Exactas. Departamento de Computación y Sistemas. Universidad Nacional del Centro. (1997).

Diego A. Dagum, Director: DEA José F. Zelasco.: “Imágenes estereoscopias. Visión 3D.” Tesis de Grado. Departamento de Computación. FCEyN-UBA.

Matías Roberto Alvarez, Gustavo Adolfo González Figueroa. Director: DEA José F. Zelasco.: “Registración Automática de Imágenes de Resonancia Magnética en 3D con el Atlas de Cerebro Computarizado. Problema de la Segmentación de Imágenes 3D.” Facultad de Ciencias Exactas. Departamento de Computación y Sistemas. Universidad Nacional del Centro. (1999).

R. Volden, J. G. Balchen.: “Determining 3D Object Coordinate from a sequence of 2D images.” Departament of Engineering Cybernetics. The Norwegian Institute of Technology. Junio 1993.





Foley-Fresey-Hughes.: “Computers Graphics – Principles and Practice” Noviembre 1992.

Kelly PJ, Alker GJ, Goers S.: “Computer assisted stereotactic laser microsurgery for the treatment of intracranial neoplasms.” Neurosurgery 1982

Kall BA, Kelly PJ, Goers SJ.: “The computer as a stereotactic surgical instrument..” Neurol Res, 1986.

Jean-Philippe Thiran, Vincent Warscotte, Benoît Macq.: “A queue-based region growing algorithm for accurate segmentation of multi-dimensional digital images.” Diciembre 1996.

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