Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Realidad Virtual – Avances en Simulación Quirúrgica

Friday, November 30, 2007

El método PAFF ofrece a los cirujanos una experiencia más realista de la respuesta al corte, sangrado, humo y presión del tejido. Aquí, instrumentos laparoscópicos virtuales controlados por el cirujano mueven el hígado, que puede “sentirse” y reaccionar de manera diferente a los órganos cercanos, de acuerdo a características únicas de presión de tejido. Si este movimiento crea sangrado o humo, el simulador añadirá dichas variables, permitiendo al cirujano que practique el procedimiento con visibilidad limitada y, quizá, respuesta cambiante al tejido.

El método PAFF ofrece a los cirujanos una experiencia más realista de la respuesta al corte, sangrado, humo y presión del tejido. Aquí, instrumentos laparoscópicos virtuales controlados por el cirujano mueven el hígado, que puede “sentirse” y reaccionar de manera diferente a los órganos cercanos, de acuerdo a características únicas de presión de tejido. Si este movimiento crea sangrado o humo, el simulador añadirá dichas variables, permitiendo al cirujano que practique el procedimiento con visibilidad limitada y, quizá, respuesta cambiante al tejido.

Un cirujano nuevo toma el bisturí para comenzar su primera electrocirugía de emergencia. Siente la resistencia del tejido, pero es resbaloso – hay más sangre de la que esperaba. Cuando comienza a cauterizar la arteria dañada, el reto aumenta con el humo.

Una doctora establecida desea ofrecer cirugía gástrica a sus pacientes que luchan con obesidad, pero nunca la ha visto llevarse a cabo. ¿Cómo puede aprender el procedimiento sin poner en riesgo a sus pacientes?

Estos son dos ejemplos en los que se podría utilizar la simulación quirúrgica para ayudar a entrenar a los médicos en procedimientos nuevos, raros, o poco utilizados. Usando la simulación quirúrgica, los médicos pueden afinar sus habilidades motoras finas, practicar procedimientos, y entrenar a otros profesionales sin riesgo de error en la sala de operaciones. Los programas actuales de simulación quirúrgica son valiosos pero tienen varias limitaciones. El nuevo método desarrollado, “Point-Associated Finite Field” (PAFF), integra los puntos fuertes de los sistemas actuales y evita algunos de sus puntos débiles, ofreciendo a los usuarios una visualización clara y una respuesta al tacto más realista.

“Queremos que sea lo más realista posible con respecto a lo que vemos – por ejemplo, gráficas – y lo que sentimos, con respecto a la respuesta al tacto”, dijo Suvranu De, Profesor Asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica, Aeroespacial, y Nuclear en el Instituto Politécnico Rensselaer.

De la Aviación a la Sala de Operaciones

Haciendo uso de su experiencia en ingeniería mecánica, el Profesor De empezó con métodos comúnmente usados para diseñar y analizar aeronaves en la industria de la aviación y simular choques en la industria automotriz. “Me di cuenta rápidamente que en realidad no puedes hacer eso”, explica él. “Hay muchas cosas en simulaciones quirúrgicas – por ejemplo, estás cortando y desgarrando tejido; estás quemando tejido – esas cosas no pasan en la industria automotriz o aeroespacial. Además, dichos métodos existentes son lentos y no-interactivos. Por eso debes tener un método fundamentalmente diferente [para crear una simulación quirúrgica]”.

Los simuladores quirúrgicos proporcionan respuestas visuales y hápticas (al tacto) a lo que el cirujano hace con “instrumentos” virtuales para imitar el uso de bisturís reales y otros instrumentos quirúrgicos. Cuando los cirujanos utilizan el bisturí simulado para cortar a través de un trozo de tejido, lo ideal es que sientan el cambio de respuesta a la presión de acuerdo al tipo de tejido, la fuerza de sus golpes, y otros factores ambientales (sangrado, etc.).

Para poder procesar las cantidades tan grandes de información requerida para producir tal experiencia en tiempo real, los simuladores están basados en sistemas computacionales muy complejos. Sin embargo, los dos sistemas más usados (sistemas de masa-resorte y sistemas de análisis de elementos finitos) no siempre responden con eficiencia a los ambientes cambiantes de los delicados procedimientos quirúrgicos. Los sistemas masa-resorte proporcionan velocidad, pero son tan complejos que sus elecciones pueden ser arbitrarias y la estabilidad del sistema puede correr riesgos. Los sistemas de análisis de elementos finitos representan un objeto (p. ej., un órgano) al utilizar múltiples representaciones ligadas y simplificadas de diferentes regiones del objeto en una rejilla, o malla. Para poder mejorar la imagen y tener una suave respuesta-al-tacto, algunos sistemas perfeccionan la malla con más elementos. Estas “mallas refinadas” solucionan algunos de los problemas de los sistemas de masa-resorte, pero también hacen más lento el tiempo de respuesta, limitan el número de puntos de contacto entre los instrumentos virtuales y los tejidos, y requieren de muchísima memoria – lo cual sacrifica la flexibilidad en respuesta a los ambientes cambiantes.

El método PAFF utiliza algunos de los puntos fuertes de estas técnicas, pero abarca un sistema nuevo, sin malla, y por lo tanto más flexible. El método PAFF es capaz de modelar eficientemente grandes deformaciones de tejido, corte quirúrgico delicado, y otros estados de materia sin arriesgar la velocidad, creando así un ambiente más realista. Debido a que no es necesario cambiar la malla frecuentemente, se protege el rendimiento en tiempo real y se conservan la memoria y los recursos computacionales.

Este método permite a los cirujanos experimentar diferentes respuestas de diferentes tejidos, y así afinar sus habilidades al tratar con órganos suaves, duros, y deformes. El cortar, sangrar, quemar, y el humo de cauterizar también se pueden simular en la misma operación, sin sacrificar la experiencia háptica en tiempo real. Por ejemplo, los cirujanos pueden ahora practicar técnicas, como la electrocirugía, que producen demasiado humo y que son difíciles de representar en sistemas viejos.

Siguientes Pasos

Algunos de los mejores estudiantes del país, residentes, y cirujanos se beneficiarán de esta nueva tecnología al momento que sea lanzada. El Profesor De y sus colegas se han asociado con el Centro Médico Beth Israel Deaconess en Boston, con el propósito de desarrollar un simulador quirúrgico para su Centro de Cirugía de Mínima Invasión. Daniel Jones, Profesor Asociado de Cirugía y Director del Centro en la Escuela de Medicina de Harvard, planea implementar el método PAFF en el Laboratorio de Simulación y Habilidades Técnicas del Centro en cuanto esté finalizado.

Los avances del Profesor De ayudarán a mejorar la seguridad del paciente así como las habilidades del médico, dice Jones. “Si de verdad pudiéramos integrar eso en nuestros sistemas de entrenamiento, las operaciones serían más seguras, porque los errores se harían en un mundo virtual”.

El Profesor De se ha asociado también con el Instituto de Desarrollo Humano en la Universidad de Texas en Arlington para estudios de evaluación y Tecnologías de Educación Médica, Inc., para distribuir el software en el mercado.

Mayores Posibilidades

Mientras que la simulación quirúrgica tiene una utilidad obvia como herramienta de capacitación para los residentes y otros profesionales médicos, los cirujanos establecidos pueden también emplear este método para practicar procedimientos raros, aprender nuevas técnicas, y entrenar a otros cirujanos. Sin el riesgo de entrenar exclusivamente en la sala de operaciones, los nuevos cirujanos pueden perfeccionar sus habilidades y recibir retroalimentación estandarizada de acuerdo a ciertos parámetros de evaluación definidos.

El método PAFF se dirige actualmente hacia el uso de la medicina bariátrica, la rama de la medicina que trata con la obesidad e implica nuevos procedimientos que muchos médicos nunca han ejecutado. Por ejemplo, la gran demanda de nuevas operaciones como la banda gástrica ajustable laparoscópica ha puesto presión en los cirujanos, muchos de los cuales nunca han ejecutado o siquiera observado el procedimiento. “La pregunta por parte de la seguridad del paciente es, ‘¿Cómo se va a capacitar a estos cirujanos?’. En un mundo virtual, podemos pasar por todos los pasos clave para hacer que dicha operación sea la mejor posible”, dice Jones. “Esa es la belleza del simulador”.

Sin embargo, el Profesor De cree que debido a dicha flexibilidad el método PAFF puede ser utilizado en cirugía ortopédica, vascular, obstétrica, ginecológica, y neurológica. Según el Profesor De “se aplica muy bien a todo tipo de cirugías. En realidad se refiere a cómo entrenas las habilidades motoras finas en cualquier campo – cualquier entrenamiento de habilidades usando computadoras”.

Este trabajo está apoyado por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

Referencia

De S, Lim Y, Manivannan M, Srinivasan MA. Physically realistic virtual surgery using the point-associated finite field (PAFF) approach. Presence: Teleoper. Virtual Environ. June 2006;15(3):294-308.

Suvranu De