ConoSurf: Open-source 3D scanning system based on a conoscopic holography device for acquiring surgical surfaces

Background. A difficulty in computer-assisted interventions is acquiring the patient's anatomy intraoperatively. Standard modalities have several limitations: low image quality (ultrasound), radiation exposure (computed tomography) or high costs (magnetic resonance imaging). An alternative approach uses a tracked pointer; however, the pointer causes tissue deformation and requires sterilizing. Recent proposals, utilizing a tracked conoscopic holography device, have shown promising results without the previously mentioned drawbacks. Methods. We have developed an open-source software system that enables real-time surface scanning using a conoscopic holography device and a wide variety of tracking systems, integrated into pre-existing and well-supported software solutions. Results. The mean target registration error of point measurements was 1.46 mm. For a quick guidance scan, surface reconstruction improved the surface registration error compared with point-set registration. Conclusions. We have presented a system enabling real-time surface scanning using a tracked conoscopic holography device. Results show that it can be useful for acquiring the patient's anatomy during surgery.Funding information: (Comunidad de Madrid), Grant/Award Number: TOPUS‐CM S2013/MIT‐3024; (Ministerio de Economía y Competitividad, ISCIII), Grant/Award Number: PI15/02121. DTS14/00192. TEC2013–48251‐C2–1‐R, FEDER fund

Neurosurgery and brain shift: review of the state of the art and main contributions of robotics

Este artículo presenta una revisión acerca de la neurocirugía, los asistentes robóticos en este tipo de procedimiento, y el tratamiento que se le da al problema del desplazamiento que sufre el tejido cerebral, incluyendo las técnicas para la obtención de imágenes médicas. Se abarca de manera especial el fenómeno del desplazamiento cerebral, comúnmente conocido como brain shift, el cual causa pérdida de referencia entre las imágenes preoperatorias y los volúmenes a tratar durante la cirugía guiada por imágenes médicas. Hipotéticamente, con la predicción y corrección del brain shift sobre el sistema de neuronavegación, se podrían planear y seguir trayectorias de mínima invasión, lo que conllevaría a minimizar el daño a los tejidos funcionales y posiblemente a reducir la morbilidad y mortalidad en estos delicados y exigentes procedimientos médicos, como por ejemplo, en la extirpación de un tumor cerebral. Se mencionan también otros inconvenientes asociados a la neurocirugía y se muestra cómo los sistemas robotizados han ayudado a solventar esta problemática. Finalmente se ponen en relieve las perspectivas futuras de esta rama de la medicina, la cual desde muchas disciplinas busca tratar las dolencias del principal órgano del ser humano.This paper presents a review about neurosurgery, robotic assistants in this type of procedure, and the approach to the problem of brain tissue displacement, including techniques for obtaining medical images. It is especially focused on the phenomenon of brain displacement, commonly known as brain shift, which causes a loss of reference between the preoperative images and the volumes to be treated during image-guided surgery. Hypothetically, with brain shift prediction and correction for the neuronavigation system, minimal invasion trajectories could be planned and shortened. This would reduce damage to functional tissues and possibly lower the morbidity and mortality in delicate and demanding medical procedures such as the removal of a brain tumor. This paper also mentions other issues associated with neurosurgery and shows the way robotized systems have helped solve these problems. Finally, it highlights the future perspectives of neurosurgery, a branch of medicine that seeks to treat the ailments of the main organ of the human body from the perspective of many disciplines

Advanced Endoscopic Navigation:Surgical Big Data,Methodology,and Applications

随着科学技术的飞速发展，健康与环境问题日益成为人类面临的最重大问题之一。信息科学、计算机技术、电子工程与生物医学工程等学科的综合应用交叉前沿课题，研究现代工程技术方法，探索肿瘤癌症等疾病早期诊断、治疗和康复手段。本论文综述了计算机辅助微创外科手术导航、多模态医疗大数据、方法论及其临床应用：从引入微创外科手术导航概念出发，介绍了医疗大数据的术前与术中多模态医学成像方法、阐述了先进微创外科手术导航的核心流程包括计算解剖模型、术中实时导航方案、三维可视化方法及交互式软件技术，归纳了各类微创外科手术方法的临床应用。同时，重点讨论了全球各种手术导航技术在临床应用中的优缺点，分析了目前手术导航领域内的最新技术方法。在此基础上，提出了微创外科手术方法正向数字化、个性化、精准化、诊疗一体化、机器人化以及高度智能化的发展趋势。【Abstract】Interventional endoscopy (e.g., bronchoscopy, colonoscopy, laparoscopy, cystoscopy) is a widely performed procedure that involves either diagnosis of suspicious lesions or guidance for minimally invasive surgery in a variety of organs within the body cavity. Endoscopy may also be used to guide the introduction of certain items (e.g., stents) into the body. Endoscopic navigation systems seek to integrate big data with multimodal information (e.g., computed tomography, magnetic resonance images, endoscopic video sequences, ultrasound images, external trackers) relative to the patient's anatomy, control the movement of medical endoscopes and surgical tools, and guide the surgeon's actions during endoscopic interventions. Nevertheless, it remains challenging to realize the next generation of context-aware navigated endoscopy. This review presents a broad survey of various aspects of endoscopic navigation, particularly with respect to the development of endoscopic navigation techniques. First, we investigate big data with multimodal information involved in endoscopic navigation. Next, we focus on numerous methodologies used for endoscopic navigation. We then review different endoscopic procedures in clinical applications. Finally, we discuss novel techniques and promising directions for the development of endoscopic navigation.X.L. acknowledges funding from the Fundamental Research Funds for the Central Universities. T.M.P. acknowledges funding from the Canadian Foundation for Innovation, the Canadian Institutes for Health Research, the National Sciences and Engineering Research Council of Canada, and a grant from Intuitive Surgical Inc

Advances in navigation and intraoperative imaging for intraoperative electron radiotherapy

Mención Internacional en el título de doctorEsta tesis se enmarca dentro del campo de la radioterapia y trata específicamente sobre la radioterapia intraoperatoria (RIO) con electrones. Esta técnica combina la resección quirúrgica de un tumor y la radiación terapéutica directamente aplicada sobre el lecho tumoral post-resección o sobre el tumor no resecado. El haz de electrones de alta energía es colimado y conducido por un aplicador específico acoplado a un acelerador lineal. La planificación de la RIO con electrones es compleja debido a las modificaciones geométricas y anatómicas producidas por la retracción de estructuras y la eliminación de tejidos cancerosos durante la cirugía. Actualmente, no se dispone del escenario real en este tipo de tratamientos (por ejemplo, la posición/orientación del aplicador respecto a la anatomía del paciente o las irregularidades en la superficie irradiada), sólo de una estimación grosso modo del tratamiento real administrado al paciente. Las imágenes intraoperatorias del escenario real durante el tratamiento (concretamente imágenes de tomografía axial computarizada [TAC]) serían útiles no sólo para la planificación intraoperatoria, sino también para registrar y evaluar el tratamiento administrado al paciente. Esta información es esencial en estudios prospectivos. En esta tesis se evaluó en primer lugar la viabilidad de un sistema de seguimiento óptico de varias cámaras para obtener la posición/orientación del aplicador en los escenarios de RIO con electrones. Los resultados mostraron un error de posición del aplicador inferior a 2 mm (error medio del centro del bisel) y un error de orientación menor de 2º (error medio del eje del bisel y del eje longitudinal del aplicador). Estos valores están dentro del rango propuesto por el Grupo de Trabajo 147 (encargo del Comité de Terapia y del Subcomité para la Mejora de la Garantía de Calidad y Resultados de la Asociación Americana de Físicos en Medicina [AAPM] para estudiar en radioterapia externa la exactitud de la localización con métodos no radiográficos, como los sistemas infrarrojos). Una limitación importante de la solución propuesta es que el aplicador se superpone a la imagen preoperatoria del paciente. Una imagen intraoperatoria proporcionaría información anatómica actualizada y permitiría estimar la distribución tridimensional de la dosis. El segundo estudio específico de esta tesis evaluó la viabilidad de adquirir con un TAC simulador imágenes TAC intraoperatorias de escenarios reales de RIO con electrones. No hubo complicaciones en la fase de transporte del paciente utilizando la camilla y su acople para el transporte, o con la adquisición de imágenes TAC intraoperatorias en la sala del TAC simulador. Los estudios intraoperatorios adquiridos se utilizaron para evaluar la mejora obtenida en la estimación de la distribución de dosis en comparación con la obtenida a partir de imágenes TAC preoperatorias, identificando el factor dominante en esas estimaciones (la región de aire y las irregularidades en la superficie, no las heterogeneidades de los tejidos). Por último, el tercer estudio específico se centró en la evaluación de varias tecnologías TAC de kilovoltaje, aparte del TAC simulador, para adquirir imágenes intraoperatorias con las que estimar la distribución de la dosis en RIO con electrones. Estos dispositivos serían necesarios en el caso de disponer de aceleradores lineales portátiles en el quirófano ya que no se aprobaría mover al paciente a la sala del TAC simulador. Los resultados con un maniquí abdominal mostraron que un TAC portátil (BodyTom) e incluso un acelerador lineal con un TAC de haz de cónico (TrueBeam) serían adecuados para este propósito.This thesis is framed within the field of radiotherapy, specifically intraoperative electron radiotherapy (IOERT). This technique combines surgical resection of a tumour and therapeutic radiation directly applied to a post-resection tumour bed or to an unresected tumour. The high-energy electron beam is collimated and conducted by a specific applicator docked to a linear accelerator (LINAC). Dosimetry planning for IOERT is challenging owing to the geometrical and anatomical modifications produced by the retraction of structures and removal of cancerous tissues during the surgery. No data of the actual IOERT 3D scenario is available (for example, the applicator pose in relation to the patient’s anatomy or the irregularities in the irradiated surface) and consequently only a rough approximation of the actual IOERT treatment administered to the patient can be estimated. Intraoperative computed tomography (CT) images of the actual scenario during the treatment would be useful not only for intraoperative planning but also for registering and evaluating the treatment administered to the patient. This information is essential for prospective trials. In this thesis, the feasibility of using a multi-camera optical tracking system to obtain the applicator pose in IOERT scenarios was firstly assessed. Results showed that the accuracy of the applicator pose was below 2 mm in position (mean error of the bevel centre) and 2º in orientation (mean error of the bevel axis and the longitudinal axis), which are within the acceptable range proposed in the recommendation of Task Group 147 (commissioned by the Therapy Committee and the Quality Assurance and Outcomes Improvement Subcommittee of the American Association of Physicists in Medicine [AAPM] to study the localization accuracy with non-radiographic methods such as infrared systems in external beam radiation therapy). An important limitation of this solution is that the actual pose of applicator is superimposed on a patient’s preoperative image. An intraoperative image would provide updated anatomical information and would allow estimating the 3D dose distribution. The second specific study of this thesis evaluated the feasibility of acquiring intraoperative CT images with a CT simulator in real IOERT scenarios. There were no complications in the whole procedure related to the transport step using the subtable and its stretcher or the acquisition of intraoperative CT images in the CT simulator room. The acquired intraoperative studies were used to evaluate the improvement achieved in the dose distribution estimation when compared to that obtained from preoperative CT images, identifying the dominant factor in those estimations (air gap and the surface irregularities, not tissue heterogeneities). Finally, the last specific study focused on assessing several kilovoltage (kV) CT technologies other than CT simulators to acquire intraoperative images for estimating IOERT dose distribution. That would be necessary when a mobile electron LINAC was available in the operating room as transferring the patient to the CT simulator room could not be approved. Our results with an abdominal phantom revealed that a portable CT (BodyTom) and even a LINAC with on-board kV cone-beam CT (TrueBeam) would be suitable for this purpose.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Joaquín López Herráiz.- Secretario: María Arrate Muñoz Barrutia.- Vocal: Óscar Acosta Tamay

Libro de actas. XXXV Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica

596 p.CASEIB2017 vuelve a ser el foro de referencia a nivel nacional para el intercambio científico de conocimiento, experiencias y promoción de la I D i en Ingeniería Biomédica. Un punto de encuentro de científicos, profesionales de la industria, ingenieros biomédicos y profesionales clínicos interesados en las últimas novedades en investigación, educación y aplicación industrial y clínica de la ingeniería biomédica. En la presente edición, más de 160 trabajos de alto nivel científico serán presentados en áreas relevantes de la ingeniería biomédica, tales como: procesado de señal e imagen, instrumentación biomédica, telemedicina, modelado de sistemas biomédicos, sistemas inteligentes y sensores, robótica, planificación y simulación quirúrgica, biofotónica y biomateriales. Cabe destacar las sesiones dedicadas a la competición por el Premio José María Ferrero Corral, y la sesión de competición de alumnos de Grado en Ingeniería biomédica, que persiguen fomentar la participación de jóvenes estudiantes e investigadores