Simulación virtual para la enseñanza de destrezas médicas en procedimientos quirúrgicos

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Título :	Simulación virtual para la enseñanza de destrezas médicas en procedimientos quirúrgicos
Autor :	PADILLA CASTAÑEDA, MIGUEL ANGEL
Fecha de publicación :	2018
Resumen :	Los sistemas de simulación quirúrgica por realidad virtual y robótica han ido ganando interés como herramientas avanzadas para el entrenamiento de destrezas en procedimientos complejos como microcirugía, cirugía laparoscópica o cirugía endovascular. En países como Estados Unidos, han ido ganando aceptación al grado de estar ya incluidos en algunos planes de estudio en medicina; más aún, es ya una realidad el hecho de que existan algunos centros de entrenamiento y adiestramiento a los cuales los residentes deben acudir para cubrir un número mínimo de horas de práctica antes de tener acceso a prácticas con pacientes. En México, su uso para la enseñanza es aún muy limitado, por la escasa disponibilidad y altos costos de sistemas comerciales; también porque el desarrollo de este tipo de sistemas es un área de investigación que ofrece muchos retos. En el presente proyecto de colaboración entre el CCADET y la Facultad de Medicina, se propone el desarrollo de herramientas de software de simulación virtual que permita el entrenamiento de habilidades básicas útiles en cirugía, mediante la simulación de algunos gestos quirúrgicos básicos, pero importantes. Se propone incluir tareas que impliquen la interacción virtual (visual y táctil) con estructuras anatómicas para la exploración de estructuras anatómicas, manipulación y control de instrumental quirúrgico, palpado táctil de tejidos, disección, resección de tumores y aplicación de grapas. Adicionalmente, diseñar métricas objetivas que permitan evaluar el nivel de dexteridad obtenido por el estudiante, para poder modificar progresivamente el nivel de dificultad de las prácticas. Se espera incidir en la formación de estudiantes en medicina en los niveles de práctica clínica, residentes y posgrado. Se tiene la expectativa que este proyecto sirva de base para el desarrollo de casos clínicos específicos de cirugías complejas, además fomente el desarrollo e investigación multidisciplinaria en esta área.
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/6107
metadata.dc.contributor.responsible:	PADILLA CASTAÑEDA, MIGUEL ANGEL
metadata.dc.coverage.temporal:	2018-2019
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura
metadata.dc.description.objective:	- Implementar un sistema de realidad virtual con retroalimentación háptica para simular algunas operaciones básicas comúnmente utilizadas en diversos casos clínicos. En particular se planea simular: 1) exploración mediante manipulación y control de
metadata.dc.description.hypothesis:	La adopción de herramientas de simulación quirúrgica por realidad virtual ayudará a los alumnos en desarrollar y aprender capacidades de dexteridad complejas en situaciones controladas y seguras, con variedad de casos clínicos y niveles de exigencia que normalmente no pueden practicar de manera intensiva antes de empezar a entrenarse en pacientes reales, sea por el acceso limitado a cadáveres o a maniquíes comerciales poco realistas y costosos. El uso de técnicas de simulación virtual permitirá establecer métricas de desempeño objetivas que facilitarán la comprensión de errores y desempeño a los propios alumnos, así como evaluar de manera más cuantificable el progreso en el aprendizaje. Adicionalmente, este enfoque abrirá la posibilidad de establecer estrategias de enseñanza donde los expertos podrán seleccionar casos progresivamente más complejos, o donde podrán guiar el aprendizaje mediante la reproducción de casos ejecutados por los propios cirujanos expertos, guiar y corregir los gestos quirúrgicos correctos con la ayuda de mecanismos de retroalimentación visual y táctil durante la intervención.
metadata.dc.description.strategies:	1. Obtención de anatomías de prueba. Se utilizará software para la reconstrucción de modelos 3D (como OsiriX, Amira[35] y MeshLab), se obtendrán reconstrucciones de la anatomía de pacientes a partir de bases de datos de resonancia magnética, inicialmente de imágenes de cerebro. La geometría de los modelos estará dada por su dinámica durante la simulación; algunas serán mallas de superficie (triángulos) y otras mallas de volumen (tetraedros). Los formatos gráficos para almacenar los modelos serán OBJ para superficies y SMESH para mallas de tetraedros. 2. Modelado de instrumentos. Los instrumentos se modelarán de acuerdo a las hojas de especificaciones de los fabricantes. En principio se modelarán: instrumentos de corte, pinzas, drenador de líquidos, separadores y clips para aneurismas. Todos estos modelos son de fácil representación debido a su geometría simple, por lo que se hará uso del software Blender a escala 1:1 para su refinamiento. El formato de almacenamiento será OBJ para mallas triangulares. 3. Modelado de tejidos blandos deformables, colisiones, cortes. Para esta etapa se empleará SOFA[43] (Simulation Open Framework Architecture), una biblioteca de código abierto desarrollado por el INRIA, Francia. La biblioteca cuenta con métodos avanzados para: modelado de sistemas físicos (modelos deformables, modelos rígidos y fluidos), algoritmos de detección de colisiones, algoritmos de interacción entre objetos (exploración, cortes, suturas y erosión), visualización y simulación de imágenes médicas. Para la simulación de objetos deformables se utilizarán métodos de de Elemento Finito ya implementados con CUDA en la misma biblioteca de SOFA. 4. Herramientas de interacción e Interfaces hápticas. Se contempla la impresión 3D de algunos de los modelos de instrumentos para adaptarlos a las interfaces hápticas comerciales y dar mayor realismo a la interacción. Para interactuar con los tejidos se utlizarán métodos de renderizado háptico de fuerzas por acoplamiento virtual al contacto con el tejido. 5. Interfaz gráfica y ambiente virtual. Para la interacción con el ambiente virtual se usará un par de dispositivos hápticos comerciales (Geomatic touch), mediante la programación de la sus bibliotecas proprietarias y su adaptación con SOFA. Se obtendrá retroalimentación háptica en los tres ejes coordenados y monitoreo de movimientos con 6 grados de libertad en el espacio tridimensional (posición y orientación). Dentro de la interfaz de usuario, se incluirán dos sub-módulos: a) Administrador de casos: se encargará de procesar la información relevante del usuario (residente), tipo y configuración del experimento a ejecutar. b) Almacenamiento: se encargará de controlar el flujo de datos de entrada y salida en formatos estándar; se propone el uso del formato XML para el almacenamiento de: información de la evaluación, simulación, modelos antes y después de la cirugía, tiempos de práctica y gestos quirúrgicos realizados. En general, toda la información relevante del ejercicio para poder ser almacenada en disco y fácilmente recuperable para un análisis post-simulación. 6. Calibración de la retroalimentación táctil de los tejidos. Se ajustarán las sensaciones táctiles de los tejidos ajustando los parámetros de rigidez y viscosidad de los algoritmos de renderizado de fuerzas, mediante la experiencia reportada en pruebas con los médicos expertos utilizando un método psicofísico experimental. 7. Monitoreo de habilidades de expertos. Se incorporarán algunas métricas basadas en el análisis de la calidad de los movimientos de los practicantes, como son suavidad, tiempos de ejecución, error en trayectorias no deseadas, contactos equivocados contra correctos, entre otras. 8. Evaluación con estudiantes y residentes. Se harán pruebas preliminares con un grupo de prueba de estudiantes de licenciatura en medicina, con un pequeño grupo de residentes y con dos expertos, a fin de comparar las métricas logradas entre ellos. Se aplicarán encuestas para validar la opinión de los usuarios con el sistema. Desarrollar herramientas de software de simulación virtual de gestos quirúrgicos para la enseñanza de estudiantes de licenciatura, práctica clínica y posgrado, que permitan aumentar y complementar las posibilidades actuales de entrenamiento de destrezas médicas en cadáveres, maniquíes de goma o pacientes reales, de manera más económica, segura, con mayores posibilidades de práctica en diversas condiciones, y con métricas objetivas del avance de los estudiantes.
metadata.dc.description.goals:	Se logró desarrollar cuatro módulos de simulación virtual de gestos quirúrgicos en tejidos blandos, tomando como base el software de desarrollo de simulación SOFA (Simulation Open Framework Architecture). Los módulos con los gestos que se desarrollaron consisten en gestos básicos de palpado y corte de tejido para aplicaciones de resección de tejidos, aplicación de grapas en tejidos vasculares, punciones en tejidos mediante agujas. Estos se desarrollaron en forma de plugins dentro de un entorno de gestión de módulos desarrollado por nosotros, con base en SOFA, para futuras implementaciones de sistemas específicos de simulación. Se logró la integración de los módulos con dispositivos hápticos (OmniSense) para proporcionar la sensación táctil de la manipulación del tejido en escenarios virtuales. Se realizaron pruebas de usabilidad de algunos módulos. En particular el de aplicación de clips en estructuras vasculares y de venopunciones con alumnos de medicina, bajo la colaboración del Dr. Víctor Ibarra, Depto. de Anatomía de la Facultad de Medicina. Se eligió este módulo pues forma parte de un sistema más complejo en simulación en neurocirugía vascular que actualmente esta siendo desarrollado por alumnos del Posgrado de Ciencia e Ingeniería de la Computación y que participaron en el proyecto PAPIME. De estas actividades mis alumnos Sergio Teodoro Vite (doctorado) y César Domínguez Velasco (maestría), fueron aceptados para realizar estancias de investigación de tres meses en la Universidad del Salento, Italia, con el Prof. Lucio De Paolis. Durante su estancia presentaron un artículo en memoria en una conferencia internacional en el área de graficación por computadora y realidad virtual, obteniendo el premio al mejor trabajo en la categoría de cartel. Esto permitió establecer contacto con el Dr. Hugo Talbot, INRIA, Francia y Coordinador del consorcio internacional SOFA, quien ha mostrado interés en la integración de la UNAM en el consorcio e interés de colaboración con nuestro grupo. También se presentaron resultados del proyecto en una conferencia nacional de la Sociedad Mexicana de Anatomía y un resumen en la Conferencia Nacional de Tecnología Aplicada a la Salud. Se desarrolló una metodología de análisis de gestos quirúrgicos, misma que se aplicó para el estudio experimental de un trabajo que teníamos en progreso y que culminó con la publicación de un artículo en revista internacional indizada como se tenía comprometido. Esta metodología junto con los módulos generados, permitirán a futuro el desarrollo de varios sistemas de simulación de casos específicos, como el que actualmente se está desarrollando para entrenamiento de infiltraciones vasculares, dentro del nuevo proyecto PAPIME PE110019. En cuanto a formación de recursos humanos se logró la titulación de dos estudiantes de Licenciatura, la graduación de un estudiante de maestría, la candidatura a doctor de un estudiante, y la incorporación de otro estudiante de maestría actualmente en curso.
metadata.dc.description.selfAssessment:	Consideramos que de acuerdo a el objetivo, metas y productos comprometidos en la propuesta original, el proyecto cumplió con el plan de trabajo establecido. El informe de trabajo es balanceado, tanto en la producción científica de un artículo de revista indizadas, como en dos memorias en conferencias internacionales y la presentación de un trabajo oral y otro en modalidad cartel en conferencias nacionales. Pensamos que estos trabajos han demostrado ser de calidad, dado el factor de impacto y prestigio de la revista (International Journal of Medical Robotics & Computer Assisted Surgery), además del merecimiento del premio al mejor trabajo cartel en la conferencia internacional AVR2018, Italia. En cuanto a formación de recursos humanos se cumplió la meta de dos tesistas de licenciatura y uno de maestría graduados; además se logró la candidatura de doctorado de uno de los estudiantes participantes, así como la incorporación al proyecto de un alumno más de maestría en curso. En cuanto a los desarrollos comprometidos, se logró completar un software genérico que incluye 4 plugins con gestos quirúrgicos básicos, que servirá de base para el desarrollo de otros sistemas de entrenamiento ya de casos específicos, como el que actualmente se está desarrollando para tareas de infiltración intravascular en extremidades superiores, en el ámbito del proyecto PAPIME PE110019 que consideramos continuación del actual PAPIME PE109018 aquí reportado. En cuanto a pruebas de validación, dado la complejidad de los desarrollos y los tiempos de adquisición de la infraestructura necesaria si consideramos que tuvimos resultados más limitados con estudiantes a nivel pregrado de medicina de lo que habíamos planeado originalmente. Sin embargo, creemos que las pruebas nos permitieron establecer una ruta crítica para concluir en este año 2019 un sistema de usuario completo ya funcional para el entrenamiento de infiltración intravascular a nivel pregrado, y aunque no planeado en la propuesta original, permitió apoyar el desarrollo de nuestros sistemas en neurocirugía para alumnos de posgrado. El proyecto también permitió madurar y establecer una colaboración duradera con el Depto. De Anatomía de la Facultad de Medicina, UNAM. También nos permitió establecer contacto con los centros de enseñanza de destrezas de pregrado y posgrado de la UNAM, recibir el apoyo de la Coordinación de Innovación de la UNAM, establecer colaboraciones internacionales y contactos con la Sociedad Mexicana de Simulación Clínica y Sociedad Mexicana de Neurología, así como fortalecer nuestra relación con el Hospital General de México “Dr. Eduardo Liceaga”. Finalmente, comprender mejor la problemática actual en temas de enseñanza de destrezas médicas y quirúrgicas tanto en la UNAM, como en el país, para poder así priorizar y enfocar mejor nuestra investigación en el corto y mediano plazo.
metadata.dc.description.goalsAchieved:	1er año: -Modelos anatómicos 3D con casos de estudio. Por el momento se planean: un cráneo, un cerebro, una estructura vascular, una membrana, un tejido tumoral. -Modelos virtuales de herramientas quirúrgicas. Se planean herramientas de disección, drills para osteotomía, pinzas retráctiles, grapas y pinzas para clipaje, pudiéndose incluir otras. -Integración de las interfaces hápticas para retroalimentación de sensaciones táctiles de tejidos con los modelos gráficos 3D. -Calibración de las sensaciones táctiles de los tejidos a considerar. -Modelado de algunos gestos quirúrgicos: exploración, palpado, disección, osteotomía, resección de tumores y aplicación de grapas. -Diseño de métricas de análisis de destrezas (tiempos de ejecución, calidad de los movimientos, tasa de éxito/error, entre otras). -Experimentos de validación y prueba. -Un prototipo del sistema de simulación de gestos quirúrgicos. -Dos tesis de licenciatura concluidas. -Una tesis de maestría concluida. -Presentación de una memoria en extenso en una conferencia nacional. -Un artículo sometido en revista indizada internacional.
metadata.dcterms.provenance:	Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT)
metadata.dc.subject.DGAPA:	Ciencias de la computación
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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