Análisis de vídeo laparoscópico para formación en cirugía de mínima invasión y cirugía guiada por imagen

Résumé

La cirugía de mínima invasión (CMI) está consolidada en rutina clínica debido a sus múltiples ventajas, que repercuten en la seguridad del paciente. Estas técnicas implican un cambio de paradigma respecto a la cirugía abierta, y conllevan dos grandes necesidades: (1) la creación de programas eficaces de formación de habilidades quirúrgicas, y (2) el desarrollo de sistemas de cirugía guiada por imagen (CGI), que asistan al cirujano durante la intervención. El enfoque tradicional de formación halstediana en CMI basado en observación, prueba y error está evolucionando hacia nuevos programas de aprendizaje que optimicen el tiempo, tanto para expertos como residentes, y los costes de formación; permitiendo además evaluar de forma objetiva al nuevo cirujano antes de su acreditación final. La introducción de nuevos procedimientos de CGI en CMI de tejidos blandos conlleva retos para transferir la planificación quirúrgica de manera precisa y segura, proporcionar al cirujano información en el momento y de la forma adecuada sobre la ruta a seguir, los márgenes de seguridad, o las estructuras a preservar o extraer. Una de las dificultades principales es la localización del instrumental quirúrgico y de los órganos, así como la adaptación, en tiempo real, a los cambios intraoperatorios. Esta tesis doctoral tiene por objetivo diseñar nuevos métodos de análisis de vídeo endoscópico para la obtención de la información tridimensional de la escena, la localización y seguimiento de las estructuras quirúrgicas. El procesamiento del vídeo se presenta como una fuente de conocimiento de gran valor en entornos de teleformación cognitiva y análisis de habilidades motoras, así como en la definición de sistemas de cirugía guiada por imagen y vídeo (CGIV). Los resultados de la tesis doctoral se agrupan en tres áreas: 1. Procesamiento de vídeo quirúrgico: Se han diseñado tres algoritmos de segmentación y seguimiento de estructuras, dos de carácter semiautomático, basados en criterios de similitud de color y clasificación de color, y uno automático, basado en criterios de sombreado. La validación realizada, sobre una base de vídeos representativa de imágenes laparoscópicas, muestra sensibilidades similares para el método basado en criterios de color y el automático, mientras que con clasificación por color se alcanza una sensibilidad menor. Por otra parte, se ha modelado la iluminación de la escena quirúrgica y se ha diseñado un algoritmo de reconstrucción tridimensional shape from shading del escenario. Los resultados muestran la viabilidad de adquirir un diagrama de cotas relativo, basado en la hipótesis lambertiana y en la coincidencia espacial de la fuente de luz y la cámara. Finalmente, se ha diseñado un algoritmo de localización de los puntos de trocar a partir del seguimiento tridimensional del instrumental. El método se basa en determinar el punto donde pivota la herramienta analizando parejas de fotogramas. Los resultados muestran la viabilidad del método, e ilustran su utilidad para el seguimiento de la óptica laparoscópica y el registro intraoperatorio basado en el análisis del vídeo. 2. Teleformación basada en el análisis y gestión del vídeo quirúrgico: Se ha diseñado una arquitectura para formación, gestión de conocimiento y comunicación interactiva de alumnos y profesores en un entorno online colaborativo. El entorno integra una herramienta de autoría para la creación de contenidos didácticos basados en los vídeos quirúrgicos y su enriquecimiento multimedia con el fin de aumentar de su capacidad formativa. La validación del entorno y la herramienta han permitido evaluar su funcionamiento, facilidad de uso y utilidad formativa. 3. Navegación en tejidos blandos: Se ha conceptualizado un nuevo paradigma de navegación en tejidos blandos basado en el seguimiento de las herramientas, óptica y órganos mediante procesamiento de vídeo, que minimiza la sobrecarga tecnológica en el quirófano y da lugar a técnicas de CGIV. Se ha validado un primer prototipo que muestra el potencial del vídeo como elemento de guiado y de ayuda a la adaptación de los modelos virtuales incluidos en el navegador. Los resultados alcanzados en esta tesis, tanto a nivel de algoritmo como de aplicación, corroboran las hipótesis de investigación planteadas. Asimismo, abren nuevas líneas de aplicación futura del vídeo laparoscópico como fuente de generación y extracción de conocimiento para optimizar las técnicas quirúrgicas y mejorar la seguridad del paciente en cirugía de mínima invasión.