Algoritmos generales para simuladores de cirugía laparoscópica

Recent advances in fields such as modeling of deformable objects, haptic technologies, immersive technologies, computation capacity and virtual environments have created the conditions to offer novel and suitable training tools and learning methods in the medical area. One of these training tools is the virtual surgical simulator, which has no limitations of time or risk, unlike conventional methods of training. Moreover, these simulators allow for the quantitative evaluation of the surgeon performance, giving the possibility to create performance standards in order to define if the surgeon is well prepared to execute a determined surgical procedure on a real patient. This paper describes the development of a virtual simulator for laparoscopic surgery. The simulator allows the multimodal interaction between the surgeon and the surgical virtual environment using visual and haptic feedback devices. To make the experience of the surgeon closer to the real surgical environment a specific user interface was developed. Additionally in this paper we describe some implementations carried out to face typical challenges presented in surgical simulators related to the tradeoff between real-time performance and high realism; for instance, the deformation of soft tissues are simulated using a GPU (Graphics Processor Unit) -based implementation of the mass-spring model. In this case, we explain the algorithms developed taking into account the particular case of a cholecystectomy procedure in laparoscopic surgery.Recientes avances en áreas tales como modelación computacional de objetos deformables, tecnologías hápticas, tecnologías inmersivas, capacidad de procesamiento y ambiente virtuales han proporcionado las bases para el desarrollo de herramientas y métodos de aprendizaje confiables en el entrenamiento médico. Una de estas herramientas de entrenamiento son los simuladores quirúrgicos virtuales, los cuales no tienen limitaciones de tiempo o riesgos a diferencia de los métodos convencionales de entrenamiento. Además, dichos simuladores permiten una evaluación cuantitativa del desempeño del cirujano, dando la posibilidad de crear estándares de desempeño con el fin de definir en qué momento un cirujano está preparado para realizar un determinado procedimiento quirúrgico sobre un paciente. Este artículo describe el desarrollo de un simulador virtual para cirugía laparoscópica. Este simulador permite la interacción multimodal entre el cirujano y el ambiente virtual quirúrgico usando dispositivos de retroalimentación visual y háptica. Para hacer la experiencia del cirujano más cercana a la de una ambiente quirúrgico real se desarrolló una interfaz cirujano-simulador especial. Adicionalmente en este artículo se describen algunas implementaciones que solucionan los problemas típicos cuando se desarrolla un simulador quirúrgico, principalmente relacionados con lograr un desempeño en tiempo real mientras se sacrifica el nivel de realismo de la simulación: por ejemplo, la deformación de los tejidos blandos simulados usando una implementación del modelo masa-resorte en la unidad de procesamiento gráfico. En este caso se describen los algoritmos desarrollados tomando en cuenta la simulación de un procedimiento laparoscópico llamado colecistectomía

Detección, rastreo y reconstrucción tridimensional de marcadores pasivos para análisis de movimiento humano. Cinemed III

Uno de los desafíos más importantes cuando se desarrolla un sistema de análisis de movimiento es la reconstrucción tridimensional, ya que este proceso involucra una serie de algoritmos que tienen que trabajar de forma sinérgica con el fin de reconstruir el movimiento correctamente y aminorando el número de intervenciones del usuario. Por esta razón en este artículo, se realiza una descripción detallada de un esquema para la reconstrucción tridimensional del movimiento humano mediante la integración de diferentes algoritmos que a su vez minimizan la intervención del usuario durante el proceso (Sistema de análisis de movimiento CineMED III). Para probar el desempeño del esquema propuesto se realizaron tres pruebas experimentales; un marcador estático, barra con dos marcadores en movimiento y dispositivo de medición de errores. Obteniendo finalmente que CineMED III posee un desempeño cercano al de los sistemas comerciales, mostrando en las pruebas realizadas con la barra un error absoluto medio menor respecto al sistema Vicon, pero mayor con respecto al sistema Elite y en las pruebas con el dispositivo un valor de RMS mayor respecto al sistema Ariel, pero un error máximo menor respecto a este ultimo sistema, sin embargo la aproximación propuesta presenta problemas cuando se ocluyen marcadores por largos periodos de tiempo y cuando se cruza la trayectoria de dos marcadores. Para resolver dichos problemas se propone adicionar algunas cámaras al sistema y así obtener información redundante de la captura del movimiento.One of the most important challenges when a movement analysis system is been developed is the three-dimensional reconstruction. This process involves several algorithms that must work synergistically in order to reconstruct the movement correctly and decreasing the user interventions. For this reason this paper describes in detail a new methodology to carry out the three-dimensional reconstruction of the human movement through the join of different algorithms decreasing the user input during the process (movement analysis system CineMED III). To analyze and evaluate the performance achieved using the methodology proposed, three experimental tests were carried out; a static marker test, bar with two markers in motion and using an error measurement device. CineMED III finally has a performance close to that of commercial systems, showing in the tests performed with the bar a lower average absolute error for the Vicon system, but higher with respect to the Elite system and testing the device with a value of RMS more about the Ariel system, but a smaller maximum error on the latter system., However, the proposed approach presents problems when markers are occluded for long periods of time and when the paths of two markers intersect. To solve these problems, it is proposed to add some cameras into the system to obtain redundant information from the motion capture

El aporte de la biomecánica y la Ingeniería en rehabilitación en la Ingeniería Biomédica de la EIA-CES

Cuando el programa de Ingeniería Biomédica del convenio EIA-CES definió sus áreas de énfasis, enmarcadas dentro del contexto social y las múltiples necesidades que se tenían en el campo biomédico, estableció que la línea de Biomecánica e Ingeniería en Rehabilitación sería su prioridad. Es así como surgió un programa que ha buscado, desde sus comienzos, fortalecerse en esta área al involucrar desde el principio a sus estudiantes, docentes y directivos, no sólo en proyectos de investigación formativa y aplicada, sino también en entes que permitan establecer políticas públicas y privadas para mejorar la calidad de vida de las personas en situación de discapacida

Descripción de un dispositivo destinado al análisis de la marcha en dos dimensiones, CineMED

Este artículo presenta un dispositivo para el análisis cinemático de la marcha humana. El dispositivo propuesto se basa en el uso de técnicas de videogrametría y procesamiento de imágenes para registrar el movimiento humano. Con este fin, se utilizó una cámara de video digital, ubicada a 4 metros del paciente, capturando su marcha en el plano sagital. También se desarrolló un modelo cinemático de los miembros inferiores que, a partir del desplazamiento de cierto número de puntos anatómicos, determina los ángulos articulares de la cadera, rodilla y tobillo, además de la inclinación de la pelvis durante un ciclo completo de la marcha. La identificación de dichos puntos fue facilitada mediante el uso de marcadores reflectivos, ubicados en siete posiciones anatómicas diferentes. Después, se diseñó y desarrolló un programa para el registro y procesamiento de los datos obtenidos, por medio de la cámara en el lenguaje de programación C# .NET. La aplicación desarrollada captura y preprocesa el video, detecta cada uno de los marcadores en la imagen, aplica el modelo cinemático y visualiza a modo de gráfica el valor de los ángulos articulares de los miembros inferiores, a lo largo del ciclo de la marcha. Por fin, se diseñó un protocolo y se realizó una prueba experimental con un sujeto, para comparar las curvas entregadas por el software y las curvas teóricas encontradas en la literatura. A pesar de las limitaciones del sistema referentes al análisis bidimensional de la marcha, se lograron obtener curvas articulares muy similares a las teóricas, obtenidas con métodos comerciales para el análisis del movimiento tridimensional.This paper introduces a device for the gait kinematic analysis. It is based on videogrametry methods and image processing in order to record the human movement. It was used a digital camcorder, located to a distance of four meters from the person, capturing its gait in the sagital plane. Also, a kinematic model was developed of lower limbs; this model takes the position data of the bony landmarks and calculates the joint angle of the hip, knee and ankle, besides the pelvic tilt during gait. The identification and tracking of the points was carried out by a special reflective coated in the superficial markers. Later, it was designed and developed an algorithm in order to record and process the data gathered, through of the camcorder in the develop language C# .NET. The application developed captures and processes the video, tracking every marker in the frame, applies the kinematic model and shows the graph of the joint angle during gait. Finally, a protocol was designed and a test was carried out with a person in order to compare the data gathered for the software and the theoretical data described in the literature. In spite of the limitations of the system related to gait bidimensional analysis, articular curves very similar to those theoretical were obtained with commercial methods for the tridimensional movement analysis

Descripción de un dispositivo destinado al análisis de la marcha en dos dimensiones, CineMED

Este artículo presenta un dispositivo para el análisis cinemático de la marcha humana. El dispositivo propuesto se basa en el uso de técnicas de videogrametría y procesamiento de imágenes para registrar el movimiento humano. Con este fin, se utilizó una cámara de video digital, ubicada a 4 metros del paciente, capturando su marcha en el plano sagital. También se desarrolló un modelo cinemático de los miembros inferiores que, a partir del desplazamiento de cierto número de puntos anatómicos, determina los ángulos articulares de la cadera, rodilla y tobillo, además de la inclinación de la pelvis durante un ciclo completo de la marcha. La identificación de dichos puntos fue facilitada mediante el uso de marcadores reflectivos, ubicados en siete posiciones anatómicas diferentes. Después, se diseñó y desarrolló un programa para el registro y procesamiento de los datos obtenidos, por medio de la cámara en el lenguaje de programación C# .NET. La aplicación desarrollada captura y preprocesa el video, detecta cada uno de los marcadores en la imagen, aplica el modelo cinemático y visualiza a modo de gráfica el valor de los ángulos articulares de los miembros inferiores, a lo largo del ciclo de la marcha. Por fin, se diseñó un protocolo y se realizó una prueba experimental con un sujeto, para comparar las curvas entregadas por el software y las curvas teóricas encontradas en la literatura. A pesar de las limitaciones del sistema referentes al análisis bidimensional de la marcha, se lograron obtener curvas articulares muy similares a las teóricas, obtenidas con métodos comerciales para el análisis del movimiento tridimensional.This paper introduces a device for the gait kinematic analysis. It is based on videogrametry methods and image processing in order to record the human movement. It was used a digital camcorder, located to a distance of four meters from the person, capturing its gait in the sagital plane. Also, a kinematic model was developed of lower limbs; this model takes the position data of the bony landmarks and calculates the joint angle of the hip, knee and ankle, besides the pelvic tilt during gait. The identification and tracking of the points was carried out by a special reflective coated in the superficial markers. Later, it was designed and developed an algorithm in order to record and process the data gathered, through of the camcorder in the develop language C# .NET. The application developed captures and processes the video, tracking every marker in the frame, applies the kinematic model and shows the graph of the joint angle during gait. Finally, a protocol was designed and a test was carried out with a person in order to compare the data gathered for the software and the theoretical data described in the literature. In spite of the limitations of the system related to gait bidimensional analysis, articular curves very similar to those theoretical were obtained with commercial methods for the tridimensional movement analysis

Descripción de un sistema para la medición de las presiones plantares por medio del procesamiento de imágenes. Fase I

La medida de la presión plantar es fundamental para conocer la distribución de las fuerzas en la planta del pie. Estos valores son importantes para el diagnóstico y tratamiento de diferentes patologías como úlceras diabéticas en la planta del pie y presencia de deformidades en extremidades inferiores, entre otras. En el presente artículo se describe el desarrollo de un podobarógrafo para el análisis de la huella plantar, cuyo desarrollo incluyó la fabricación de un podoscopio, la selección de un material transductor adecuado y el desarrollo del software para el procesamiento de las imágenes capturadas por una cámara de video. El dispositivo propuesto PodoMED permite realizar un análisis dinámico y estático de la huella, pues aparte de mostrar cómo es la distribución de presiones en la planta del pie durante la marcha, por medio de imágenes en seudocolor, tiene la opción de emitir una valoración de la huella, donde se muestran medidas como el índice de valgo, el ángulo de Clarke, el índice de Hernández Corvo, entre otros. Para el desarrollo de este proyecto se realizaron ensayos experimentales para minimizar el ruido de la imagen, lo cual se logró con la utilización de un filtro físico y otro para la imagen por medio de software. Para una etapa futura, se planea la calibración y validación del sistema, con lo cual se pretende brindar mayor confiabilidad y repetibilidad.The measurement of the plantar pressure is basic to know the force distribution in the sole. These values are important to diagnosis and treat different pathologies as diabetic ulcerate in the sole, bone, and muscular deformations in the lower limb, etc. This paper describes the development of a pedobarograph in order to analyze the sole. The development can be classified in three stages, building of the Podoscopio, selection of the transducer material and development of the software in order to processes the picture captured by the camcorder. The device PodoMED makes a dynamic and static analysis of the sole, using pseudocolor images for walking analysis and podological indexes as valgo index, Clarke angle, Hernandez Corvo index, etc. for static analysis. In the development of this project we carried out experimental test to minimize the noise present in the image. It was achieved by using a physical filter and image processing filter. In a future phase, it plans the system calibration and validation, which expects to offer more reliability itself

Evolution over Time of Ventilatory Management and Outcome of Patients with Neurologic Disease∗

OBJECTIVES: To describe the changes in ventilator management over time in patients with neurologic disease at ICU admission and to estimate factors associated with 28-day hospital mortality. DESIGN: Secondary analysis of three prospective, observational, multicenter studies. SETTING: Cohort studies conducted in 2004, 2010, and 2016. PATIENTS: Adult patients who received mechanical ventilation for more than 12 hours. INTERVENTIONS: None. MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS: Among the 20,929 patients enrolled, we included 4,152 (20%) mechanically ventilated patients due to different neurologic diseases. Hemorrhagic stroke and brain trauma were the most common pathologies associated with the need for mechanical ventilation. Although volume-cycled ventilation remained the preferred ventilation mode, there was a significant (p < 0.001) increment in the use of pressure support ventilation. The proportion of patients receiving a protective lung ventilation strategy was increased over time: 47% in 2004, 63% in 2010, and 65% in 2016 (p < 0.001), as well as the duration of protective ventilation strategies: 406 days per 1,000 mechanical ventilation days in 2004, 523 days per 1,000 mechanical ventilation days in 2010, and 585 days per 1,000 mechanical ventilation days in 2016 (p < 0.001). There were no differences in the length of stay in the ICU, mortality in the ICU, and mortality in hospital from 2004 to 2016. Independent risk factors for 28-day mortality were age greater than 75 years, Simplified Acute Physiology Score II greater than 50, the occurrence of organ dysfunction within first 48 hours after brain injury, and specific neurologic diseases such as hemorrhagic stroke, ischemic stroke, and brain trauma. CONCLUSIONS: More lung-protective ventilatory strategies have been implemented over years in neurologic patients with no effect on pulmonary complications or on survival. We found several prognostic factors on mortality such as advanced age, the severity of the disease, organ dysfunctions, and the etiology of neurologic disease