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Desenvolvimento da interface computacional gráfica em estereotaxia.
Armando Alaminos Bouza.
Físico, especialista em Física-Médica
Desenvolvedor de Software nas áreas de Neurocirurgia Estereotáxica e
Radioterapia.
A interface computacional gráfica em estereotaxia está amalgamada com o
denominado “Sistema de Planejamento” ou “Sistema de Pré-Planejamento”.
Principais objetivos do sistema de pré-planejamento:
1. Fornecer coordenadas precisas dos alvos e trajetos no
espaço estereotáxico.
2. Promover recursos para identificar, gráfica ou
estatisticamente, os alvos ótimos.
3. Renderizar os trajetos no contexto da anatomia
circundante, sejam estes trajetos de entidades mecânicas
ou não, tais como fótons.
4. Calcular administração de dose ótima para os alvos e
avaliar impacto da dose na anatomia periférica
(radiocirurgia e braquiterapia)
O início deste trabalho teve como meta criar um sistema de planejamento para
radiocirurgia baseado em um aparelho de Riechert-Mundinger e um conjunto de
cones para LINAC. Estávamos nos alvores de 1990. Contávamos com um estonteante
processador 80386 de 640 Kbytes a 25 MHz! O nome inicial do software foi “NSPS”.
Após vencer uma barreira de
prudente ceticismo, aos poucos, o
interesse despertado nos
neurocirurgiões da casa nos
motivou a pesquisar e desenvolver
módulos para biópsias e
braquiterapia (Ir192 na época). Até
aqui, tudo para o aparelho de
Riechert-Mundinger.
Após dois anos de trabalho neste projeto, em 1992, outra equipe de cirurgiões e
neurologistas com muita atividade na neurocirurgia funcional e equipados com um
Sistema Leksell-G me chamou para iniciar o desenvolvimento de recursos específicos
para funcional.
Leksell - G foi o segundo
aparelho suportado.
Criamos um modelo de
mapas vetoriais para atlas
de neurocirurgia
funcional.
Este projeto marcou
nosso início na pesquisa e
desenvolvimento
orientado à Neurocirurgia
Funcional.
Em 1994, junto com o Eng. Antonio Martos e o Prof. Manoel Jacobsen começa o
desenvolvimento do suporte para os Sistemas Micromar TM-01B e TM-02B. Foi
adicionado o fiducial frontal aos TM-01B e TM-02B para compatibilizar com
exigências matemáticas do software.
Alguns meses depois a Micromar cria o modelo ETM-03B e de imediato se adiciona
suporte ao mesmo no software.
O NSPS muda o nome para MSPS.
TM-01B / Hitchcock ETM-03B
O respeito à precisão (objetivo 1 previamente enunciado), impôs a condição de
imprescindível ao terceiro fiducial. Sempre consideramos que este objetivo toma
precedência sobre todos os outros. Com isto devemos garantir que os cálculos
sejam imunes a:
• Angulação entre os eixos principais da TC e do
volume estereotáxico.
• Erro na calibração dos equipamentos formadores da
imagem (TC, RM, etc).
• Certo grau de distorção nas imagens, criados pelos
meios formadores.
Discordo da idéia de forçar paradigmas de “consumer
product” ao armamentarium da estereotaxia.
Precisão e segurança tem que tomar precedência sobre estética e conforto do operador.
A usabilidade do software deve melhorar sempre que não entre em conflito com o objetivo 1.
Na década de 1990 a disponibilidade de tomografia ou ressonância exportada
em DICOM era uma raridade.
Investimos centenas de horas de trabalho para “descobrir” os formatos
proprietários de muitos tomógrafos e ressonâncias magnéticas e desenvolver
as correspondentes interfaces para importar imagens ao MSPS.
Em alguns equipamentos apenas conseguíamos as imagens em filmes. Fomos
obrigados a carregar scanners de transparência de um hospital para outro e
criar ferramentas de software para re-montar as imagens 3D a partir de filmes
digitalizados.
Importar 40 cortes de TC via “flat bed scanner” seguido do
ulterior processamento até chegar ao MSPS, poderia ser
considerado pelos jovens cirurgiões de hoje um autêntico
pesadelo !
Nos anos 90 melhoramos
significativamente o renderizador
3D do sistema.
Para a reconstrução de
superfícies com igual densidade
implementamos um motor
baseado no algoritmo “Marching
Cubes” [*] que continuamos
aprimorando até hoje.
[*] – William E. Lorensen and Harvey E. Cline
Motivados pela diponibilidade do Iodo-125 em sementes, nos modelos Amersham 6702
e pela experiência da equipe, preparamos o MSPS para planejar braquiterapia
estereotáxica com estes isótopos, sendo mais seguros para o paciente e o pessoal
profissional que o Iridium-192.
Somente na tese de Doutorado apresentada pelo Dr. Claudio Correa e orientada pelo
Prof. Manoel Jacobsen (UNIFESP, 1999) se registraram uns 130 casos de braquiterapia
planejados com o MSPS.
Infelizmente esta modalidade enfrenta dificuldades operacionais atualmente.
Em 1998 iniciamos a pesquisa em registro e fusão multimodal de imagens. Inicialmente
criamos um método baseado em pontos de referência intrínsecos com modelo de corpo
rígido ou não.
A solução apresentada é estável para registro de imagens não coplanares, o qual ainda
não é comum no mercado. O trabalho foi objeto de uma tese apresentada na UNIFESP
em 1999 com orientação do Prof. Fernando Patriani Ferraz.
Posteriormente desenvolvemos um método totalmente automático para registro e
fusão multimodal de imagens baseado na Maximização da Informação Mútua (MI).
As soluções baseadas em MI são até agora consideradas “state of the art” nesta área.
M.I. inicial de
0,9012
M.I. final de
1,2736
Otimização
não linear
com 6 graus
de liberdade:
sendo 3
rotações e 3
translações.
Em 2003 o sistema foi migrado para Windows 2000 e XP. Graças ao aumento na
disponibilidade de memória RAM muitos recursos melhoraram e aumentou a resolução
espacial das imagens. O nome do sistema mudou para “MNPS”.
O módulo de radiocirurgia ganha um recurso de planejamento inverso que ajuda a
conformar a isodose para alvos irregulares. O algoritmo otimiza o índice de
conformação de Ian Padick modificando a localização e pesos de múltiplos isocentros.
O número máximo de arcos simultâneos por
plano de radiocirurgia passou a 64, permitindo
simular até uns 12 alvos independentes.
Recursos para avaliação de
qualidade do tratamento: DVH,
Dose Integral e dois índices de
conformação da dose.
Paralelamente, introduzimos
continuamente ferramentas para assistir
na segmentação anatômica, ou desenho
de ROIs. Recursos que podem ser
automáticos ou manuais.
O módulo para neurocirurgia funcional mantem uma evolução constante, especialmente
no tocante a mapas anatómicos dos núcleos de interesse. Esta é uma área que nos coloca
em contínuo intercambio de ideias com o setor correspondente da USP, particularmente
com o Prof. Erich Fonoff.
Atlas em todos os planos ortogonais e de
diversas fontes. Está previsto adicionar o atlas da
USP futuramente.
Alguns núcleos dos atlas ganharam
representação 3D
A representação 3D dos núcleos pode ser como sólidos ou como fios
(wire-frame). Eles podem mostrar-se no contexto da TC ou da RM fundida
e junto com os trajetos cirúrgicos planejados.
O nivel de confiança na técnica do
implante de DBS atingiu um patamar
em que muitos desejam definir onde
fica cada contato ativo do DBS dentro
do cérebro.
Modelo geométrico preciso e representação
3D dos DBS das marcas comerciais
disponíveis.
Menu de seleção do DBS
Boston Scientific 1.5/0.5 Medtronic 1.5/0.5 St.Jude 3.0+1.5/0.5 mm
Redundância ajuda na segurança. Conveniência da dupla checagem. Desenvolvemos ferramentas
para plataformas mobile que facilitam um cálculo independente. StereoCheck (isocêntricos).
Caso especial, StereoCheckRM para Riechert-Mundinger (não isocêntrico)
IMPORTANTE: O percurso real do nosso instrumento até o alvo planejado está
sujeito a diversas fontes de erro sistemáticos e aleatórios. Não podemos jamais
esquecer o controle intraoperatório, sem ele não temos garantia de ter executado
o que foi planejado. Em particular: o DBS não é rígido !
Percurso original com erro Percurso corrigido
Modelos suportados até novembro de 2015
• Bramsys
• BrainLAB
• CRW
• FiMe
• Leksell - G
• Macom
• Micromar
• Riechert-Mundinger
• ZD
O MNPS é o software de pré-planejamento para neurocirurgia
estereotáxica com mais amplo suporte a fabricantes que temos noticia.
Vinte e cinco anos da historia deste projeto não cabem em alguns minutos de
apresentação, mas parece que já é suficiente informação para dar uma ideia do que
foi conseguido.
Sou muito grato à comunidade de neurocirurgia funcional do Brasil que por vinte
anos nos tem apoiado e ajudado a discutir ideias para o desenvolvimento.
Também tem contribuído significativamente uma jovem comunidade de técnicos e
engenheiros que assistem rotineiramente nas cirurgias e constantemente
comunicam os problema detectados e apresentam soluções e novidades.
Muito obrigado a todos.
Armando Alaminos Bouza

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Desenvolvimento da interface computacional gráfica em estereotaxia.

  • 1. Desenvolvimento da interface computacional gráfica em estereotaxia. Armando Alaminos Bouza. Físico, especialista em Física-Médica Desenvolvedor de Software nas áreas de Neurocirurgia Estereotáxica e Radioterapia.
  • 2. A interface computacional gráfica em estereotaxia está amalgamada com o denominado “Sistema de Planejamento” ou “Sistema de Pré-Planejamento”. Principais objetivos do sistema de pré-planejamento: 1. Fornecer coordenadas precisas dos alvos e trajetos no espaço estereotáxico. 2. Promover recursos para identificar, gráfica ou estatisticamente, os alvos ótimos. 3. Renderizar os trajetos no contexto da anatomia circundante, sejam estes trajetos de entidades mecânicas ou não, tais como fótons. 4. Calcular administração de dose ótima para os alvos e avaliar impacto da dose na anatomia periférica (radiocirurgia e braquiterapia)
  • 3. O início deste trabalho teve como meta criar um sistema de planejamento para radiocirurgia baseado em um aparelho de Riechert-Mundinger e um conjunto de cones para LINAC. Estávamos nos alvores de 1990. Contávamos com um estonteante processador 80386 de 640 Kbytes a 25 MHz! O nome inicial do software foi “NSPS”. Após vencer uma barreira de prudente ceticismo, aos poucos, o interesse despertado nos neurocirurgiões da casa nos motivou a pesquisar e desenvolver módulos para biópsias e braquiterapia (Ir192 na época). Até aqui, tudo para o aparelho de Riechert-Mundinger.
  • 4. Após dois anos de trabalho neste projeto, em 1992, outra equipe de cirurgiões e neurologistas com muita atividade na neurocirurgia funcional e equipados com um Sistema Leksell-G me chamou para iniciar o desenvolvimento de recursos específicos para funcional. Leksell - G foi o segundo aparelho suportado. Criamos um modelo de mapas vetoriais para atlas de neurocirurgia funcional. Este projeto marcou nosso início na pesquisa e desenvolvimento orientado à Neurocirurgia Funcional.
  • 5. Em 1994, junto com o Eng. Antonio Martos e o Prof. Manoel Jacobsen começa o desenvolvimento do suporte para os Sistemas Micromar TM-01B e TM-02B. Foi adicionado o fiducial frontal aos TM-01B e TM-02B para compatibilizar com exigências matemáticas do software. Alguns meses depois a Micromar cria o modelo ETM-03B e de imediato se adiciona suporte ao mesmo no software. O NSPS muda o nome para MSPS. TM-01B / Hitchcock ETM-03B
  • 6. O respeito à precisão (objetivo 1 previamente enunciado), impôs a condição de imprescindível ao terceiro fiducial. Sempre consideramos que este objetivo toma precedência sobre todos os outros. Com isto devemos garantir que os cálculos sejam imunes a: • Angulação entre os eixos principais da TC e do volume estereotáxico. • Erro na calibração dos equipamentos formadores da imagem (TC, RM, etc). • Certo grau de distorção nas imagens, criados pelos meios formadores. Discordo da idéia de forçar paradigmas de “consumer product” ao armamentarium da estereotaxia. Precisão e segurança tem que tomar precedência sobre estética e conforto do operador. A usabilidade do software deve melhorar sempre que não entre em conflito com o objetivo 1.
  • 7. Na década de 1990 a disponibilidade de tomografia ou ressonância exportada em DICOM era uma raridade. Investimos centenas de horas de trabalho para “descobrir” os formatos proprietários de muitos tomógrafos e ressonâncias magnéticas e desenvolver as correspondentes interfaces para importar imagens ao MSPS. Em alguns equipamentos apenas conseguíamos as imagens em filmes. Fomos obrigados a carregar scanners de transparência de um hospital para outro e criar ferramentas de software para re-montar as imagens 3D a partir de filmes digitalizados. Importar 40 cortes de TC via “flat bed scanner” seguido do ulterior processamento até chegar ao MSPS, poderia ser considerado pelos jovens cirurgiões de hoje um autêntico pesadelo !
  • 8. Nos anos 90 melhoramos significativamente o renderizador 3D do sistema. Para a reconstrução de superfícies com igual densidade implementamos um motor baseado no algoritmo “Marching Cubes” [*] que continuamos aprimorando até hoje. [*] – William E. Lorensen and Harvey E. Cline
  • 9. Motivados pela diponibilidade do Iodo-125 em sementes, nos modelos Amersham 6702 e pela experiência da equipe, preparamos o MSPS para planejar braquiterapia estereotáxica com estes isótopos, sendo mais seguros para o paciente e o pessoal profissional que o Iridium-192. Somente na tese de Doutorado apresentada pelo Dr. Claudio Correa e orientada pelo Prof. Manoel Jacobsen (UNIFESP, 1999) se registraram uns 130 casos de braquiterapia planejados com o MSPS. Infelizmente esta modalidade enfrenta dificuldades operacionais atualmente.
  • 10. Em 1998 iniciamos a pesquisa em registro e fusão multimodal de imagens. Inicialmente criamos um método baseado em pontos de referência intrínsecos com modelo de corpo rígido ou não. A solução apresentada é estável para registro de imagens não coplanares, o qual ainda não é comum no mercado. O trabalho foi objeto de uma tese apresentada na UNIFESP em 1999 com orientação do Prof. Fernando Patriani Ferraz.
  • 11. Posteriormente desenvolvemos um método totalmente automático para registro e fusão multimodal de imagens baseado na Maximização da Informação Mútua (MI). As soluções baseadas em MI são até agora consideradas “state of the art” nesta área. M.I. inicial de 0,9012 M.I. final de 1,2736 Otimização não linear com 6 graus de liberdade: sendo 3 rotações e 3 translações.
  • 12. Em 2003 o sistema foi migrado para Windows 2000 e XP. Graças ao aumento na disponibilidade de memória RAM muitos recursos melhoraram e aumentou a resolução espacial das imagens. O nome do sistema mudou para “MNPS”. O módulo de radiocirurgia ganha um recurso de planejamento inverso que ajuda a conformar a isodose para alvos irregulares. O algoritmo otimiza o índice de conformação de Ian Padick modificando a localização e pesos de múltiplos isocentros.
  • 13. O número máximo de arcos simultâneos por plano de radiocirurgia passou a 64, permitindo simular até uns 12 alvos independentes. Recursos para avaliação de qualidade do tratamento: DVH, Dose Integral e dois índices de conformação da dose.
  • 14. Paralelamente, introduzimos continuamente ferramentas para assistir na segmentação anatômica, ou desenho de ROIs. Recursos que podem ser automáticos ou manuais.
  • 15. O módulo para neurocirurgia funcional mantem uma evolução constante, especialmente no tocante a mapas anatómicos dos núcleos de interesse. Esta é uma área que nos coloca em contínuo intercambio de ideias com o setor correspondente da USP, particularmente com o Prof. Erich Fonoff.
  • 16. Atlas em todos os planos ortogonais e de diversas fontes. Está previsto adicionar o atlas da USP futuramente.
  • 17. Alguns núcleos dos atlas ganharam representação 3D
  • 18. A representação 3D dos núcleos pode ser como sólidos ou como fios (wire-frame). Eles podem mostrar-se no contexto da TC ou da RM fundida e junto com os trajetos cirúrgicos planejados.
  • 19. O nivel de confiança na técnica do implante de DBS atingiu um patamar em que muitos desejam definir onde fica cada contato ativo do DBS dentro do cérebro.
  • 20. Modelo geométrico preciso e representação 3D dos DBS das marcas comerciais disponíveis. Menu de seleção do DBS Boston Scientific 1.5/0.5 Medtronic 1.5/0.5 St.Jude 3.0+1.5/0.5 mm
  • 21. Redundância ajuda na segurança. Conveniência da dupla checagem. Desenvolvemos ferramentas para plataformas mobile que facilitam um cálculo independente. StereoCheck (isocêntricos).
  • 22. Caso especial, StereoCheckRM para Riechert-Mundinger (não isocêntrico)
  • 23. IMPORTANTE: O percurso real do nosso instrumento até o alvo planejado está sujeito a diversas fontes de erro sistemáticos e aleatórios. Não podemos jamais esquecer o controle intraoperatório, sem ele não temos garantia de ter executado o que foi planejado. Em particular: o DBS não é rígido ! Percurso original com erro Percurso corrigido
  • 24. Modelos suportados até novembro de 2015 • Bramsys • BrainLAB • CRW • FiMe • Leksell - G • Macom • Micromar • Riechert-Mundinger • ZD O MNPS é o software de pré-planejamento para neurocirurgia estereotáxica com mais amplo suporte a fabricantes que temos noticia.
  • 25. Vinte e cinco anos da historia deste projeto não cabem em alguns minutos de apresentação, mas parece que já é suficiente informação para dar uma ideia do que foi conseguido. Sou muito grato à comunidade de neurocirurgia funcional do Brasil que por vinte anos nos tem apoiado e ajudado a discutir ideias para o desenvolvimento. Também tem contribuído significativamente uma jovem comunidade de técnicos e engenheiros que assistem rotineiramente nas cirurgias e constantemente comunicam os problema detectados e apresentam soluções e novidades. Muito obrigado a todos. Armando Alaminos Bouza