Avances en la calibración de ultrasonido para cirugía

Este artículo habla sobre cómo mejorar el uso de la tecnología de ultrasonido (US) durante las cirugías, vinculando de manera precisa imágenes de ultrasonido en 2D con imágenes en 3D de resonancias magnéticas (MRI) o tomografías computarizadas (CT). El objetivo es ayudar a los cirujanos a visualizar en tiempo real lo que están haciendo, lo que lleva a decisiones mejores durante los procedimientos.

#¿Qué es la Calibración de Ultrasonido?

La calibración de ultrasonido implica ajustar la configuración de la máquina de ultrasonido para que las imágenes que produce representen con precisión lo que está pasando en el cuerpo, especialmente cuando se usa junto a imágenes de MRI o CT. Esto se hace entendiendo la posición y el ángulo de la sonda de ultrasonido y cómo se relaciona con un sistema fijo que ayuda a rastrear dónde está la sonda en el espacio.

#Importancia de la Calibración

Cuando los médicos realizan cirugías mínimamente invasivas, dependen de la tecnología para ver dentro del paciente sin hacer cortes grandes. Sin embargo, la vista del ultrasonido puede ser limitada y no proporciona percepción de profundidad. Ahí es donde entra la calibración. Al vincular con precisión las imágenes de ultrasonido con las MRI o CT existentes, los doctores pueden tomar decisiones informadas sin abrir al paciente.

#Desafíos en el Uso del Ultrasonido

El ultrasonido es una gran herramienta porque es seguro, portátil y puede proporcionar imágenes en tiempo real. Sin embargo, las imágenes convencionales de ultrasonido en 2D no muestran completamente la estructura tridimensional de los órganos. Aunque existen máquinas de ultrasonido en 3D, tienen desafíos como altos costos y limitaciones técnicas. Como resultado, muchos doctores siguen usando sondas en 2D para crear imágenes en 3D mediante diferentes técnicas.

Algunas técnicas incluyen usar brazos robóticos para barrer la sonda mecánicamente o usar sensores para rastrear la ubicación de la sonda. Entre estas, las técnicas a mano libre que usan sensores para rastrear la posición de la sonda en relación con el paciente son particularmente útiles porque son flexibles y permiten un movimiento de mano más natural durante los procedimientos.

#La Necesidad de una Calibración Precisa

Las imágenes de ultrasonido a menudo no son representaciones precisas de la anatomía real porque necesitan estar bien alineadas y registradas con imágenes externas como las de MRI o CT. Este registro puede ser complicado debido a diferencias en la calidad de la imagen, artefactos y la forma en que cada tecnología captura imágenes.

Para que esta alineación sea exitosa, la posición y orientación de la sonda de ultrasonido deben conocerse con precisión. Esto requiere métodos de calibración elaborados para calcular las transformaciones necesarias para vincular las imágenes.

#El Sistema de Calibración Propuesto

El sistema propuesto se enfoca en desarrollar una forma rápida y económica de calibrar la sonda de ultrasonido. Involucra la creación de objetos especiales, conocidos como fantasmas de calibración, que tienen formas y características conocidas. Estos fantasmas pueden ayudar a detectar características en las imágenes de ultrasonido, permitiendo una mejor alineación con imágenes en 3D de MRI o CT.

#Fantasmas de Calibración

Los fantasmas de calibración vienen en diferentes tipos:

1. Fantasmas de Punto Único: Objetos esféricos pequeños que se pueden escanear para crear un punto de referencia. Aunque son fáciles de hacer, pueden ser difíciles de localizar en las imágenes debido a su tamaño.

2. Fantasmas de Múltiples Puntos: Grupos de objetos pequeños o hilos diseñados para proporcionar más puntos de referencia en las imágenes de ultrasonido.

3. Fantasmas de Pared: Superficies planas o membranas que generan líneas en las imágenes de ultrasonido, haciéndolas más fáciles de reconocer en comparación con los marcadores basados en puntos.

4. Fantasmas Z-Fiduciales: Estos tienen hilos dispuestos en forma de Z para proporcionar varios puntos de referencia a la vez, facilitando la recopilación de información en menos escaneos.

#Tecnologías de Seguimiento

Para rastrear la posición de la sonda de ultrasonido, se pueden usar varias tecnologías, como sensores electromagnéticos y seguimiento óptico. Cada uno tiene sus ventajas y desventajas.

• Sensores Electromagnéticos: Estos sensores funcionan bien, pero pueden verse afectados por objetos metálicos en el área.

• Seguimiento Óptico: Este método utiliza cámaras y marcadores conectados a la sonda para determinar su posición. Es versátil, pero requiere una línea de visión clara para funcionar efectivamente.

#Estimación de Posición

La estimación de posición es crucial en este sistema. Implica averiguar la posición y orientación exactas de la sonda de ultrasonido en el espacio. Esta información se recopila a partir de los dispositivos de seguimiento y ayuda a transformar las imágenes de ultrasonido con precisión.

#Realización de Experimentos

Los experimentos realizados involucraron probar diferentes tipos de fantasmas de calibración para ver cuál funcionaba mejor en el proceso de calibración. El objetivo final era lograr un registro preciso de las imágenes de ultrasonido en 2D con las imágenes en 3D de MRI o CT.

#Configuración Experimental

1. Calibración: El primer paso implica calibrar la cámara utilizada para capturar imágenes de los fantasmas. Esto asegura que los datos recopilados sean fiables.

2. Adquisición de Datos: Durante esta etapa, se toman imágenes del escáner de ultrasonido y de la cámara simultáneamente mientras se barre la sonda sobre el fantasma de calibración.

3. Procesamiento de Imágenes: Las imágenes adquiridas pasan por una etapa de procesamiento donde se detectan características en las imágenes de ultrasonido y se alinean con los puntos de referencia en el fantasma.

#Resultados

Los resultados de los experimentos mostraron que usar el fantasma hemisférico proporcionó imágenes claras con pocos artefactos. El centro del hemisferio se utilizó como punto de referencia, lo que facilitó mapear y calibrar las imágenes.

Para los sistemas de tablero de ajedrez y ArUco, se usaron diferentes conjuntos de datos para ver qué método daba los mejores resultados. El conjunto de datos recopilado usando el tablero de ajedrez mostró una mejora significativa en precisión, logrando resultados cercanos a un milímetro. Sin embargo, el sistema ArUco mostró errores más altos, indicando la necesidad de más refinamientos.

#Discusión de Resultados

A través de los experimentos, quedó claro que los procesos de calibración y estimación de posición desempeñan un papel crucial en mejorar la precisión de las imágenes de ultrasonido. Lograr una precisión submilimétrica es bastante significativo, especialmente en entornos clínicos.

El uso de fantasmas de calibración ayudó a facilitar la detección de características en las imágenes de ultrasonido, superando algunos de los desafíos anteriores. Se logró un equilibrio entre simplicidad y precisión, haciendo que el sistema sea rentable y práctico para el uso diario.

#Trabajo Futuro

Aunque el sistema actual muestra promesas, todavía hay áreas de mejora, como:

1. Validación con Más Conjuntos de Datos: Se necesitan realizar más experimentos para asegurar la fiabilidad del proceso de calibración en diversas situaciones clínicas.

2. Algoritmos RANSAC o LMeDS: Estos podrían implementarse para un enfoque más robusto en la eliminación de datos atípicos, que pueden sesgar los resultados.

3. Utilización de Marcadores de AR Más Pequeños: Marcadores más pequeños pueden ayudar en una mejor integración con entornos clínicos, especialmente donde el espacio es limitado.

4. Diseño de Fantasmas de Múltiples Esferas: Los diseños futuros pueden incorporar múltiples esferas para aumentar la precisión de medición y robustez.

5. Reconstrucción Volumétrica en Tiempo Real: El sistema puede modificarse aún más para lograr una reconstrucción volumétrica 3D US en tiempo real.

#Conclusión

Una calibración precisa de ultrasonido es esencial para mejorar los resultados quirúrgicos. Este artículo destaca la importancia de vincular imágenes de ultrasonido en 2D con imágenes en 3D de MRI/CT a través de procesos de calibración innovadores. La combinación de fantasmas de calibración y Tecnología de seguimiento avanzada ha llevado a resultados prometedores, haciendo que los procedimientos quirúrgicos sean más seguros y efectivos. Las mejoras y validaciones continuas consolidarán las aplicaciones del sistema en entornos clínicos, beneficiando en última instancia la atención al paciente.