Sistema de simulación virtual para la enseñanza médica de procedimientos de infiltración intravascular

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Título :	Sistema de simulación virtual para la enseñanza médica de procedimientos de infiltración intravascular
Autor :	PADILLA CASTAÑEDA, MIGUEL ANGEL
Fecha de publicación :	2019
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, están ya incluidos en algunos planes de estudio en medicina; más aún, es ya una realidad que existan algunos centros de entrenamiento a los cuales los estudiantes y 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 es un área de investigación que ofrece muchos retos. En el presente proyecto se propone el desarrollo de un sistema de simulación virtual de infiltración intravascular. Éste contempla aspectos físicos y virtuales realistas, mediante la integración de una estación de trabajo de entrenamiento que incluye un maniquí de un paciente, un escenario de simulación por realidad virtual con modelos anatómicos 3D que reproducen el comportamiento biomecánico deformable de los tejidos, un esquema de interacción con instrumental real montado en un dispositivo robótico capaz de proporcionar retroalimentación de fuerzas táctiles similares a las sensaciones del tejido. Este sistema permitirá el entrenamiento de habilidades básicas de infiltración intravascular, mediante la simulación de la inserción de catéteres en las vascularidades de las extremidades superiores. 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. Podrá ser la base para el desarrollo de simuladores de cirugías endovasculares en neurocirugía y cardiovascular.
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/6128
metadata.dc.contributor.responsible:	PADILLA CASTAÑEDA, MIGUEL ANGEL
metadata.dc.coverage.temporal:	2019-2020
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura
metadata.dc.description.objective:	-Implementar un sistema de realidad virtual con retroalimentación háptica para simular la intervención de infiltración intravascular, que combine aspectos físicos reales y virtuales para dar realismo al entrenamiento, incluyendo: 1) Una estación de
metadata.dc.description.hypothesis:	La adopción de un sistema de simulación de infiltración intravascular por realidad virtual y maniquíes, ayudará a los alumnos en desarrollar y aprender capacidades de dexteridad complejas en situaciones controladas y seguras, necesarias en procedimientos percutáneos, con la posibilidad de incorporar variedad de casos clínicos y niveles de exigencia que normalmente no pueden practicar de manera intensiva en pacientes reales. El uso de las técnicas de simulación virtual a adoptar 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. Adicionalmente, la presente propuesta podrá servir como base para el desarrollo de sistemas similares de otro tipo de intervenciones percutáneas de mayor especialización, como procedimientos de cirugía vascular o endovasculares en cardiología y neurología.
metadata.dc.description.strategies:	1. Obtención de los modelos anatómicos 3D. Se cuenta con una base de datos de tomografía computacional con imágenes de pacientes reales, de donde se planea generar los modelos de la extremidad superior del paciente, como de la región vascular de interés, mediante software de segmentación y reconstrucción disponible (3DSlicer). Una segunda estrategia que consiste en reconstruir la superficie de la extremidad superior de voluntarios reales, mediante técnicas de reconstrucción y computación visual usando una cámara portátil de profundidad (Intel Realsense) y modelos vasculares artísticos mediante software de edición 3D (Blender y MeshLab). 2. Modelado de instrumentos. Los instrumentos se modelarán de acuerdo a las hojas de especificaciones de los fabricantes u obteniendo las medidas reales de dispositivos reales mediante medición manual. En principio se modelarán agujas y catéteres). 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 o bien un software de diseño CAD (OpenInventor). 3. Modelado de tejidos blandos deformables, colisiones, e inyección de agujas. Se empleará SOFA (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 por Elemento Finito, 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. 4. Herramientas de interacción e Interfaces hápticas. Se contempla la impresión 3D de algunas piezas por manufactura aditiva, para poder montar las agujas y catéteres reales en las interfaces hápticas comerciales y dar mayor realismo a la interacción. Para interactuar con los tejidos se utilizarán 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 dispositivo háptico comercial (Geomatic touch), mediante la programación de la sus bibliotecas proprietarias (OpenHaptics) 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 de estudiante, tipo y configuración del experimento a ejecutar. b) Almacenamiento: se encargará de controlar el flujo de datos de entrada para el almacenamiento de información de la evaluación. 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 las sensaciones táctiles 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 y de los modelos biomecánicos, mediante pruebas con los médicos expertos utilizando un método psicofísico. Adicionalmente, se hará una fase de adquisición de las fuerzas de interacción durante infiltraciones reales, mediante el montaje de un sensor de fuerza (celda de carga) en la punta de la interfaz háptica y experimentos de infiltración con tejidos reales (primero en cortes de tejido animal comercial del supermercado, y luego de ser posible en un cadáver real). 7. Diseño de la estación de trabajo y maniquí. Se construirá un maniquí de material plástico simular con propiedades simulares a las de la piel humana (Latex, Dragon Skin. La construcción consistirá en un método artístico de vaciado y modelado por moldes a partir de voluntarios participantes. Posteriormente el maniquí se montará en una plataforma construida con materiales higiénicos, como perfiles de aluminio y acrílicos. Sobre esta se hará el montaje ergonómico del dispositivo háptico con las agujas y catéteres. 8. Monitoreo de habilidades de expertos. Se incorporarán algunas métricas basadas en el análisis de la calidad de los movimientos de los practicantes, fuerzas de interacción, tiempos de ejecución, error en trayectorias no deseadas, contactos equivocados contra correctos, entre otras. 9. 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 un sistema de simulación virtual de infiltración intravascular para la enseñanza de habilidades médicas para la enseñanza de estudiantes de licenciatura, práctica clínica y posgrado, que permitan aumentar y complementar las posibilidades actuales de entrenamiento de destrezas médicas relacionadas con intervenciones percutáneas en 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:	DESARROLLO -Se lograron generar un escenario virtual con modelos anatómicos del brazo humano para un sistema de simulación de punción por realidad virtual para enseñanza de procedimientos de infiltración. -Se construyeron los modelos virtuales de las herramientas de infiltración. -Se completó el desarrollo de un software de simulación de punción intravenosa del brazo humano para la enseñanza de procedimientos de inifiltración. -Se completó el simulador de punción virtual conjuntando el modelo de simulación y una interfaz háptica comercial, incluyendo algoritmos de interación hática específicos para tareas de punción, que se espera poder publicar en el mediano plazo. -Se completó hasta el 70% un maniquí realista de un brazo humano para conjuntarse con el simulador, para conjuntar un modelo híbrido novedoso de entrenamiento mediante elementos virtuales y físicos realistas. Con ello se tendrá durante el 2020 un modelo híbrido de entrenamientro que combine elementos físicos reales y virtuales. -Se realizaron pruebas de evaluación y usabilidad del simulador de realidad virtual, por parte de alumnos pasantes y de servicio social del Departamento de Anatomía de la Facultad de Medicina. -Se desarrolló una aplicación de realidad aumentada interactiva mediante gestos manuales para la enseñanza de anatomía. Originalmente no estaba contemplado este producto. PRODUCCIÓN ACADÉMICA -Un artículo aceptado en una revista internacional indizada en JCR. -Una memoria en extenso en una conferencia internacional. -Una memoria en extenso en una conferencia nacional. FORMACIÓN DE RECURSOS HUMANOS -Una tesis de doctorado en proceso de conclusión del M.I. Sergio Teodoro Vite. Actualmente cuenta con un 100% de avance y se está culminando la escritura de la tesis. -Un trabajo de investigación de doctorado en proceso del M.I. César Fabían Domínguez Velasco, del Posgrado en Ciencia e Ingeniería de la Computación. -Una tesis de maestría del M.I. Agustín Gallo Fernández, con mención honirífica, del Posgrado en Ciencia e Ingeniería de la Computación. -Una tesis de maestría del M.I. Héctor Ricardo Rivas Gutiérrez, con mención honirífica, del Posgrado en Ciencia e Ingeniería de la Computación. -Una tesis de maestría del Teniente Paul Paud, estudiante de intercambio de la Escuela Militar de Saint' Cyr, Francia. -Una tesis de licenciatura al 90% de avance de la Pas. Jessica Alatorre Flores, estudiante de Ingeniería en Computación, Facultad de Ingeniería. -Una tesis de licenciatura al 90% de avance de la Pas. Viviana Marcela Cruz Vega, estudiante de Ingeniería en Computación, Facultad de Ingeniería. -Un servicio social concluido de la Pas. Jessica Alatorre Flores, estudiante de Ingeniería en Computación, Facultad de Ingeniería. PROTECCIÓN INTELECTUAL -Un registro de derechos de autor de un software.
metadata.dc.description.selfAssessment:	Se considera que el desarrollo de simuladores médicos requiere un nivel de especialización en áreas de las ingenierías, en particular en las áreas de realidad virtual, biomecánica, instrumentación, robótica y diseño industrial. Dado que el proyecto duró solo un año y se enfocó en el desarrollo del simulador, se considera que el proyecto cumplió de manera aceptable sus propósitos, pues se logró conjuntar un equipo de trabajo multidisciplinario que fue capaz de terminar el prototipo propuesto en el tiempo estipulado. Se reconoce que aún es necesario continuar con el proyecto para refinarlo, hacer ajustes, mejorar su funcionalidad a nivel de usuario, realizar evaluaciones y pruebas más exhaustivas, tareas que se irán cubriendo durante el 2020. Sin embargo, se lograron hacer pruebas piloto con estudiantes de medicina, obteniendo información valiosa para completar el sistema a un nivel de usabilidad práctica con alumnos de la Facultad de Medicina de la UNAM. También se considera que el proyecto presenta un buen balance en productos académicos y tecnológicos primarios y colaterales derivados del proyecto. También se considera que incidió positivamente en la formación de recursos humanos de estudiantes a nivel licenciatura, maestría y doctorado. A través del proyecto se logro consolidar una red de colaboración entre el ICAT-UNAM, la Facultad de Medicina y el Hospital General de México “Dr. Eduardo Liceaga”, en proyectos enfocados al uso de tecnología para la enseñanza médica y adiestramiento clínico. Se identificaron también otras áreas de oportunidad en diversas aplicaciones clínicas de interés y con necesidades de desarrollo, tanto para la formación de estudiantes a nivel pregrado, residentes y alta especialidad. Finalmente, como se ha mencionado, el proyecto ha cumplido con el propósito de desarrollo tecnológico universitario, como base para el desarrollo de otras aplicaciones clínicas, así como la formación de recursos humanos especializados en las áreas de desarrollo de sistemas tecnológicos en educación médica.
metadata.dcterms.provenance:	Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT)
metadata.dc.subject.DGAPA:	Ciencias de la computación Destrezas Médicas Infiltración Instrumentación biomédica Intravascular realidad virtual Simuladores médicos Sistemas Hápticos
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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