Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Un Paquete de Software Mejora la Cirugía de Parkinson

Tuesday, August 31, 2010

Para los pacientes con trastornos del movimiento como la enfermedad de Parkinson, actividades sencillas como beber una taza de café o caminar hasta la mesa representan un reto. Sus miembros se tironean o se mueven sin control. Algunos individuos experimentan lentitud y rigidez. Los medicamentos pueden aliviar estos síntomas, pero con el tiempo el cuerpo deja de responder a la terapia de drogas.

Muchos de estos casos son ayudados por estimulación cerebral profunda (DBS, por sus siglas en inglés), un procedimiento quirúrgico en el cual se colocan electrodos en el cerebro en sitios clave responsables del movimiento. Cables conectados a los implantes se fijan a un dispositivo de estimulación eléctrica similar a un marcapasos cardíaco que se coloca bajo la piel cerca de la clavícula. Una vez que el cerebro sana, alrededor de un mes después de la cirugía, un neurólogo programa el estimulador para enviar impulsos eléctricos a los implantes. Estos impulsos, que viajan desde el estimulador a lo largo del cable hasta el implante, bloquean las señales nerviosas anormales que causan temblores y otros movimientos no deseados.

La base de datos CranialVault y las herramientas de interfaz de usuario CRAVE proporcionan acceso a los datos de cientos de pacientes que han sido sometidos a cirugía de estimulación cerebral profunda. Las herramientas de interfaz ayudan a los neurocirujanos a reducir el tiempo de la cirugía señalándole los sitios óptimos para la implantación de electrodos y programando más rápidamente el generador de pulso de un paciente para eliminar los síntomas asociados con los trastornos del movimiento.

The CranialVault database and CRAVE user interface tools provide access to data from hundreds of patients who have undergone deep brain stimulation surgery. The interface tools help neurosurgeons reduce surgery time by pinpointing optimal sites for electrode implantation and more rapidly programming a patient’s pulse generator to eliminate symptoms associated with movement disorders.

Cuando fue aprobada por la Administración de Drogas y Alimentos de los EE.UU. hace 12 años, la cirugía DBS podía tardar hasta 12 horas. Después de perforar los orificios en el cráneo, un cirujano podía estimar la mejor trayectoria para conducir el electrodo a través de la anatomía del cerebro hasta el sitio específico. Sin embargo, como el cerebro de cada paciente es un poco diferente y las estructuras pueden estar unos pocos milímetros a la izquierda o a la derecha, el cirujano a veces necesitaba de seis a diez intentos para acertarle al objetivo óptimo. Los pacientes estuvieron despiertos durante la cirugía para que pudieran proporcionarle retroalimentación al cirujano. Para los pacientes ancianos, el prolongado procedimiento podía ser agotador. Hoy en día, los avances en la técnica y el equipo han acortado los tiempos de la cirugía a solo unas pocas horas.

Los investigadores de la Universidad de Vanderbilt, en Nashville, Tennessee, están probando un repositorio de conocimiento y un software interactivo que han mejorado la precisión de la colocación del implante y, por lo tanto, el tiempo de la cirugía ha sido reducido a un mínimo de 2 horas. La base de datos conocida como CranialVault y sus herramientas de software, llamadas Cranial Vault Explorer (CRAVE), han resultado de una colaboración de casi una década entre el neurocirujano Peter Konrad de la Universidad de Vanderbilt y los investigadores en ciencias computacionales Benoit Dawant y Pierre-Francois D'Haese. A pesar que una serie de herramientas desarrolladas en la última década han ayudado a los cirujanos en varios aspectos del proceso de DBS, CranialVault y CRAVE son las primeras herramientas que abarcan el espectro completo del procedimiento, desde la planificación preoperatoria hasta la implantación quirúrgica y la programación del dispositivo.

Mediante la combinación de la base de datos y las herramientas de la interfaz, los investigadores dicen que han creado un sistema que podría convertirse en un repositorio nacional de datos de muchos sitios en todo el país, permitiéndoles eventualmente comparar las mejores prácticas desde varios sitios. "Si hacemos bien nuestro trabajo, seremos capaces de capturar las experiencias de muchos cirujanos y permitirle a otros que puedan beneficiarse de esta experiencia", dice Dawant, investigador principal del proyecto y profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en Vanderbilt

 

Construyendo la Bóveda (Vault)

El corazón del sistema, la base de datos CranialVault, almacena información sobre los pacientes que han sido sometidos al procedimiento DBS. Los datos incluyen escaneos de tomografía computarizada (TC) y estudios de imágenes por resonancia magnética (IRM), planes quirúrgicos preoperatorios, la posición final de los implantes, así como los puntos de datos de grabaciones de microelectrodos utilizados durante la cirugía para distinguir diferentes patrones de activación neuronal. La base de datos también contiene datos que muestran la respuesta del paciente a los estímulos durante la cirugía. Actualmente, CranialVault – que, junto con las herramientas CRAVE, es seguro y cumple con HIPAA – contiene información de más de 450 pacientes.

Otro punto fuerte de CranialVault es su capacidad para crear mapas del cerebro basados en la información de todos los pacientes en la base de datos. Los investigadores utilizan los datos estadísticos de todos los pacientes en la base de datos CranialVault para construir una especie de "mega-cerebro" o un mapa del cerebro común. Mediante la aplicación de ecuaciones matemáticas o algoritmos publicados por D'Haese por primera vez en el 2003, los investigadores proyectan datos de un cerebro hacia el mega-cerebro. El resultado es un mapa estadístico que muestra la anatomía de cada cerebro en relación con los de otros pacientes. Estos mapas se utilizan entonces para planificar la cirugía, localizar los sitios óptimos del implante, y programar el estimulador.

 

Minando la Bóveda (Vault)

Otros algoritmos están dedicados a la robusta interfaz de usuario llamada CRAVE. Este conjunto de herramientas le permite al equipo de DBS reunir información específica sobre el paciente en cada etapa del proceso de DBS. En la fase de planificación de la cirugía, las imágenes del nuevo paciente se agregan a la CranialVault y luego se transforman en los atlas existentes. El sistema genera un plan preoperatorio basado en objetivos seleccionados por el cirujano a través del módulo de planificación de CRAVE en un sitio Web seguro. El programa pronostica la ubicación de las estructuras cerebrales clave en la trayectoria y proporciona mapas que muestran los lugares óptimos para el implante con los mejores resultados y efectos secundarios mínimos.

"Podemos proyectar los datos de 100 cirugías exitosas en el cerebro de un paciente nuevo, y saber que es muy probable que si se implanta en un lugar determinado se obtendrá un resultado exitoso", dice Dawant. Hasta ahora, el atlas ha pronosticado selecciones de sitio con una precisión de hasta 1 mm para la colocación en el núcleo subtalámico, un sitio común de destino.

El equipo de DBS utiliza CRAVE como una guía visual durante toda la cirugía. El equipo puede ver las trayectorias a partir del plan prequirúrgico, así como mapas de la anatomía del cerebro y mapas estadísticos que muestran las mejores ubicaciones para la colocación de los electrodos. CRAVE también proporciona imágenes tridimensionales (3-D) de la actividad nerviosa para ayudar a los cirujanos a encontrar la mejor ubicación para comenzar pruebas de la estimulación. Sin las imágenes 3-D, los cirujanos deben crear sus propias imágenes mentales basadas en una serie de puntos de datos. Debido a que CRAVE permite el registro de los datos de la estimulación eléctrica, el equipo puede utilizar las imágenes 3-D para la colocación final de los implantes.

"Antes que tuviésemos el programa, la cirugía de cada paciente era como empezar de cero", dice Konrad. Para determinar la ubicación óptima para el implante de DBS, el cirujano tenía que encontrar dónde habían sido las mejores grabaciones y respuestas del paciente a los estímulos eléctricos. "Cada paso adicional para recopilar más información aumenta el riesgo y genera un impacto en el rendimiento del paciente mientras transcurre el tiempo en la sala de operaciones. Con el software vinculado a la base de datos, hemos reducido el número de pasos que hacemos en la sala de operaciones debido a que tendemos a llegar directo al objetivo mas rápidamente”. Los riesgos de la cirugía DBS incluyen: hemorragia cerebral, lo que podría provocar un accidente cerebrovascular o la muerte, fugas de líquido cefalorraquídeo, e infección. Recientemente, Konrad, quien describe el programa como "transformador", colocó electrodos en el cerebro de un profesor de 75 años de edad en unos 30 minutos y completó toda la cirugía en menos de 2 horas.

La precisión del programa es especialmente útil cuando los cirujanos se encuentran con asimetrías cerebrales, estructuras que no coinciden exactamente en cada lado del cerebro. Konrad habla de un caso en el que el atlas del computador sugirió un sitio de destino a 5 mm de distancia de donde él pensaba que debería estar el objetivo. Él optó por no seguir la recomendación del programa, ya que parecía una gran desviación de la ubicación del sitio previsto. Una vez dentro del cerebro, encontró que el atlas había pronosticado correctamente el sitio óptimo y tuvo que ajustar la colocación de los electrodos para que coincidiera con el sitio sugerido por el atlas.

 

Transformando la Programación con CRAVE

En la fase de programación de DBS, los neurólogos determinan el voltaje eléctrico correcto y la frecuencia de los impulsos producidos por el aparato estimulador para aliviar los síntomas del paciente. Para ello, los neurólogos prueban cada uno de cuatro contactos en un implante para encontrar aquél que mejor elimine los síntomas, basándose en datos tabulares de los exámenes previos de electroestimulación del paciente. El trabajo a través de los cuatro contactos puede tardar varias horas debido a que se prueban diferentes voltajes y frecuencias; desafortunadamente, el seguro paga por sólo 2 horas de pruebas.

Usando CRAVE, la programación se convierte en un proceso visual, con la ubicación de los implantes y los resultados de la estimulación eléctrica, realizados durante la cirugía, superpuestos en la IRM del paciente. El sistema también pronostica cual contacto es la mejor opción a activar basado en datos de la CranialVault. "Si usted puede ver dónde se coloca el electrodo y puede basarse en la experiencia de pacientes anteriores, la programación se hace mucho más fácil", dice Konrad. "La pantalla de visualización cambiará drásticamente la manera en que se realiza la programación de DBS".

Con los fabricantes de dispositivos teniendo en cuenta el desarrollo de los implantes con 8,16, o más contactos para mejorar la forma del campo eléctrico en el sitio objetivo, Konrad señala que el software de visualización se convertirá en un requisito para la programación de DBS.

 

El Futuro de CRAVE

Mientras que los investigadores continúan perfeccionando la CranialVault y las herramientas de interfaz CRAVE, Dawant dice que se concentrarán en integrar el sistema desde la planificación hasta la programación. "Queremos crear un conducto para mover los datos a través del proceso clínico completo", dice Dawant. Aunque la planificación y los módulos intraoperatorios son maduros, la fase de programación se ha utilizado sólo de manera esporádica. Los programas para generar series de datos postoperatorios para cada paciente quirúrgico están en desarrollo, así como las herramientas de evaluación para determinar el valor del módulo de programación para los neurólogos.

El equipo también creará un nuevo software para hacer frente a los cambios en la posición del cerebro durante la cirugía. A diferencia de otras cirugías cerebrales en las que grandes incisiones exponen gran parte del cerebro, el acceso durante la cirugía DBS sólo requiere de pequeños orificios de trepanación perforados en el cráneo. Cada vez que el cerebro está expuesto – incluso a través de pequeños orificios – el cerebro se encoge, y este cambio puede alterar la posición de las estructuras cerebrales. La medición de hasta qué punto se encoge el cerebro durante la cirugía DBS es un reto, dice Dawant. "[Para diseñar un modelo de localización] necesitamos saber cuanto se mueve la superficie cortical, pero con los pequeños orificios de trepanación es difícil de determinar,” dice él.

El equipo también seguirá colaborando con otros centros grandes de DBS para ampliar y desarrollar nuevas herramientas de interfaz de usuario, no sólo para los trastornos del movimiento, sino también para condiciones como la epilepsia y la depresión. Dice Konrad, “Estamos pensando en DBS en los próximos 10 años y cuales herramientas necesitará la gente para avanzar el campo".

Este trabajo está apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas y el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares (NINDS).

 


Pallavaram S, Dawant BM, Koyama T, Yu H, Neimat J, Konrad PE, D’Haese P-F. Validation of a fully automatic method for the routine selection of the anterior and posterior commissures in magnetic resonance images. Stereotact Funct Neurosurg. 2009;87(3):148-54.

D’Haese P-F, Pallavaram S, Li R, Remple MS, Kao C, Neimat JS, Konrad PE, Dawant BM. CranialVault and its CRAVE tools: A clinical computer assistance system for Deep Brain Stimulation (DBS) therapy. Med Image Anal. 2010. Accepted manuscript available at http://dx.doi.org/10.1016/j.media.2010.07.009.