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Software para planificación quirúrgica
Investigadores de Georgia Tech y Emory University han diseñado un programa informático innovador para ayudar a los cirujanos cardíacos a optimizar los procedimientos quirúrgicos antes de ingresar a la sala de operaciones. El software de planificación quirúrgica basado en imágenes permite a los cirujanos manipular un modelo informático tridimensional del corazón de un paciente. Una vez que el médico ha modificado el modelo para que incluya la configuración vascular deseada que desea crear durante la cirugía, el programa utiliza dinámica de fluidos computacional para ejecutar una simulación de flujo sanguíneo que muestra qué tan bien funcionará el corazón modificado.
Un investigador que utiliza el sistema de planificación quirúrgica basado en imágenes manipula un modelo del sistema vascular de un paciente con dispositivos de entrada con forma de bisturí. Una vez que se complete el diseño previsto, se probará la eficiencia del flujo sanguíneo.
El objetivo del proyecto es desarrollar un sistema completo que aborde las exigentes necesidades de planificación y evaluación de la cirugía cardiovascular, dice Ajit Yoganathan , investigador principal del proyecto y presidente asociado de la Departamento de Ingeniería Biomédica en Georgia Tech y Emory University. El programa se creó para evaluar uno de los problemas cardíacos congénitos más comunes y complejos que se conocen: un defecto de un solo ventrículo.
Los niños con esta afección tienen solo un ventrículo cardíaco (el izquierdo), en lugar de dos, para bombear sangre oxigenada y desoxigenada (sucia) por todo el cuerpo. En pacientes sanos, el ventrículo derecho bombea la sangre desoxigenada a través de las arterias hasta los pulmones, mientras que el ventrículo izquierdo recibe la sangre oxigenada a través de las venas y la dispara a todos los órganos del cuerpo.
La mezcla de sangre en el ventrículo único compromete en gran medida la circulación en todo el cuerpo, dice Shiva Sharma, cardiólogo pediatra privado. El trabajo del cirujano es separar la circulación, es decir, desviar la sangre desoxigenada directamente y de manera uniforme a los pulmones mientras se minimiza la resistencia al flujo, una operación llamada reparación de Fontan.
Diseñar la mejor conexión es esencial porque demasiada resistencia puede aumentar la presión arterial y causar una variedad de complicaciones potencialmente mortales, explica. Pedro del Nido , jefe de cirugía cardíaca del Children's Hospital of Boston. Los procedimientos quirúrgicos se basan en la experiencia personal del cirujano, la experimentación y, francamente, mucho ensayo y error. No hay forma directa de saber si hemos mejorado las cosas o si una pequeña variación en nuestra técnica hará una pequeña diferencia o no.
Antes de la planificación quirúrgica basada en imágenes, los cirujanos trabajaban como artistas a mano alzada en el sentido de que observaban la anatomía y luego esbozaban un plan para la cirugía, agrega Sharma.
El programa desarrollado por Yoganathan y sus colegas funciona mediante la creación de un modelo informático tridimensional del corazón utilizando datos de las imágenes de resonancia magnética (IRM) del niño en diferentes momentos del ciclo cardíaco. Después de ver las imágenes y diseñar algunos planos, el cirujano se sienta frente a una computadora y manipula el modelo utilizando dispositivos de entrada que parecen bisturíes, explica Yoganathan.
Lo que hemos desarrollado es un sistema que te permite agarrar las geometrías como si las sostuvieras en tus manos y luego girarlas, rotarlas y moverlas como modelos tridimensionales frente a ti, dice Jarek Rossignac , uno de los diseñadores del sistema y profesor de la Facultad de Computación de Georgia Tech. El resultado es un nuevo modelo tridimensional que refleja una forma particular que el cirujano prevé para la operación.
El nuevo modelo tridimensional modificado anatómicamente se exporta y se combina sin problemas para un análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD). El uso de CFD crea una simulación del flujo sanguíneo en el corazón recién configurado que el cirujano puede ver en la pantalla. Después de diseñar y probar varios modelos simulados, el cirujano puede decidir qué operación resultó óptima para ese paciente en particular. Hasta ahora, los corazones de cinco pacientes han sido diseñados y probados para cirugía utilizando el modelo tridimensional.
Por el momento, el sistema solo está siendo utilizado por un pequeño grupo de cirujanos involucrados en la investigación. Yoganathan dice que la tecnología tardará entre tres y cinco años en estar lista para su uso general, y aún quedan algunos desafíos por superar. La dinámica de flujo, dice, es muy intensiva en computación e implica fórmulas complejas. Convertir las geometrías nuevamente en mallas computacionales es laboriosamente lento.
En este momento, los ingenieros informáticos hacen que los cirujanos dibujen el diseño y luego los ingenieros ingresan manualmente las geometrías. Es un proceso muy engorroso, dice Yoganathan. Estamos trabajando en el desarrollo de herramientas que, una vez dibujada la geometría, la malla computacional para el análisis se haga automáticamente, por lo que no hay participación del ingeniero.
Tampoco existen fórmulas matemáticas precisas para las formas anatómicas, que son orgánicas y tienen problemas interesantes de propiedad del material, por lo que imitar cómo podrían evolucionar representa un nuevo conjunto de desafíos, explica Rossignac.
Los investigadores quieren proporcionar tecnología de interfaz de forma humana , que permitiría a los cirujanos manipular formas de una manera intuitiva y eficiente; En este momento, los cirujanos necesitan de dos a tres horas para manipular el corazón de un paciente a la configuración que visualizan. Sin embargo, según del Nido, estas tecnologías de edición de formas son bastante sencillas de usar e intuitivas para cualquiera que haya creado juegos de computadora.
Finalmente, los investigadores quieren que el software proporcione la solución óptima para el problema cardíaco.
Un grupo de la Universidad de Stanford, dirigido por Charles Taylor , también está trabajando en sistemas de planificación quirúrgica basados en imágenes. Recientemente, su laboratorio abrió el Centro de Simulación en Medicina del Hospital de Stanford para centrarse en la planificación quirúrgica de intervenciones cardiovasculares para niños con cardiopatías congénitas y adultos con aterosclerosis y aneurismas.
Según Taylor, la planificación basada en simulación de tratamientos cardiovasculares podría conducir a una menor morbilidad y mortalidad, menores tasas de reoperación y reducción del tiempo en el quirófano.
En última instancia, la planificación quirúrgica basada en imágenes tendrá un impacto inmenso en los procedimientos quirúrgicos, mejorando la calidad de vida no solo de los niños sino también de los adultos, dice del Nido.