ES2866163T3

ES2866163T3 - Sistema de ayuda al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares

Info

Publication number: ES2866163T3
Application number: ES16733416T
Authority: ES
Inventors: Aurélien Dumenil; Cemil Göksu; Florent Lalys; Antoine Lucas
Original assignee: Therenva SAS
Current assignee: Therenva SAS
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2021-10-19
Anticipated expiration: 2036-06-24
Also published as: JP6797200B2; US10959780B2; JP2018522695A; WO2016207358A1; EP3313313A1; CN107847277A; FR3037785B1; EP3313313B1; FR3037785A1; US20180161099A1

Abstract

Sistema de ayuda al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares, que comprende un dispositivo de obtención de imágenes adecuado para adquirir imágenes bidimensionales de partes del cuerpo de un paciente, un dispositivo programable y una unidad de visualización, estando adaptado dicho sistema a; - durante una fase de planificación (P1) previa, - obtener y memorizar (50) una imagen tridimensional preoperatoria que comprende una estructura vascular objetivo de un paciente, - determinar (52) un primer modelo anatómico tridimensional (M1) específico del paciente a partir de la imagen tridimensional adquirida, estando ubicado este primer modelo anatómico tridimensional (M1) en el mismo marco de referencia espacial que la imagen tridimensional, - durante una fase de intervención (P2), - adquirir (54) una o más imágenes bidimensionales intraoperatorias que comprenden la estructura vascular objetivo del paciente, opacificada o no, - estimar (56) una transformación rígida entre la imagen tridimensional preoperatoria y las imágenes bidimensionales intraoperatorias, estando dicho sistema caracterizado por que además es adecuado para: - estimar (58) una transformación elástica entre dicha imagen tridimensional y las imágenes bidimensionales en función de la transformación rígida y de una simulación de deformaciones vasculares inducidas por una introducción de la herramienta en la estructura vascular objetivo, obteniéndose dicha simulación en función de un estado local de la estructura vascular objetivo, una relación entre la estructura vascular objetivo y su entorno directo, y las propiedades mecánicas de la herramienta endovascular, - aplicar (60) una combinación de la transformación rígida y de la transformación elástica al primer modelo anatómico tridimensional (M1) específico del paciente para obtener un segundo modelo tridimensional (M2) específico del paciente, - visualizar (62) en la unidad de visualización dicho segundo modelo tridimensional específico del paciente superpuesto sobre las imágenes bidimensionales adquiridas.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de ayuda al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares

La presente invención se refiere a un Sistema de ayuda al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares, y a un producto de programa informático asociado.

Encuentra aplicación en el campo de las intervenciones endovasculares guiadas por imágenes.

Las intervenciones endovasculares permiten tratar las enfermedades vasculares de forma mínimamente invasiva. Generalmente consisten en la inserción de un dispositivo médico por vía endovascular para interaccionar con los tejidos patológicos. Las intervenciones endovasculares se utilizan en particular para tratar aneurismas aórticos, así como estenosis y trombosis arteriales, mediante la introducción de diversas herramientas endovasculares adecuadas, tales como un globo o un stent.

A diferencia de las intervenciones quirúrgicas convencionales que requieren realizar una gran abertura en el cuerpo del paciente para acceder a los tejidos de interés, las intervenciones endovasculares solo requieren incisiones finas para poder insertar las herramientas en la estructura vascular. Tienen varias ventajas, en particular, un aumento de la tasa de éxito a corto plazo, así como una disminución de la morbilidad intraoperatoria y de la estancia hospitalaria. A pesar de la generalización de estas intervenciones, siguen siendo delicadas y deben asegurarse y ser fiables. El acceso al tejido patológico se dificulta por la naturaleza del tratamiento. El manejo y control de los instrumentos exigen una gran precisión para promover un tratamiento satisfactorio. Por otro lado, el seguimiento de las acciones operatorias solo puede realizarse mediante adquisición de imágenes intraoperatorias.

En el campo de las intervenciones endovasculares se utilizan imágenes bidimensionales adquiridas por fluoroscopia, que permiten guiar la inserción de dispositivos médicos, tales como catéteres, en la arteria femoral y en otras ramas vasculares.

La fluoroscopia se refiere a una técnica de adquisición de imágenes médicas que permite visualizar estructuras anatómicas en movimiento y en tiempo real. Dado que las arterias son tejidos blandos y, por lo tanto, no son visibles en las radiografías, se puede administrar al paciente un producto de contraste radiopa

vascular que indique el recorrido de las arterias.

Durante una fase operatoria se adquieren y utilizan imágenes bidimensionales, por tanto, una fase de intervención.

Para mejorar la asistencia brindada durante la fase operatoria, se ha propuesto utilizar también datos de imágenes tridimensionales (o imágenes 3D), adquiridos durante una fase preoperatoria o fase de planificación, obtenidos mediante técnicas de adquisición, tales como, por ejemplo, la tomografía, también denominada TC por "tomografía computarizada", y la obtención de imágenes por resonancia magnética (IRM). De hecho, con bastante frecuencia, la información bidimensional sobre los órganos no es suficiente y las operaciones requieren conocimientos tridimensionales. Estas imágenes en 3D se adquieren antes de la operación para el diagnóstico de la enfermedad o para observar la forma del aneurisma y prepararse para la operación y, por lo tanto, están fácilmente disponibles durante la operación.

El uso de información tridimensional generada en la fase preoperatoria durante la navegación intraoperatoria, requiere una correspondencia de esta información con la obtención de imágenes bidimensionales (2D) adquiridas durante la fase de intervención. La correspondencia se realiza gracias a un proceso de recalibrado que permite expresar los diferentes datos en un mismo marco de referencia espacial.

El objetivo es visualizar, al mismo tiempo y en la misma imagen, diferentes tipos de información, tales como imágenes de diferentes modalidades o de modelos anatómicos previamente extraídos. Esto proporciona al médico información adicional, así como una mejor comprensión del campo operatorio, permitiéndole mejorar la precisión de la intervención y garantizar la acción operatoria.

Existen sistemas de cirugía guiada por imagen destinados a los denominados quirófanos híbridos, dotados de un dispositivo de soporte de un dispositivo de adquisición de imágenes adecuado para girar alrededor del paciente para la adquisición de imágenes, por ejemplo, mediante rayos X. En angiografía rotacional, se utiliza un dispositivo de soporte de este tipo, conocido con el nombre de brazo en C rotacional motorizado. El uso de dicho dispositivo permite adquirir datos de imágenes tridimensionales durante la intervención y facilitar la fusión entre los datos de imágenes adquiridos previamente y los datos de imágenes adquiridos durante la intervención, mediante un recalibrado 3D/3D. A continuación, la actualización del recalibrado se automatiza por completo y el operario puede cambiar fácilmente los ángulos del brazo en C o mover la mesa del paciente sin comprometer la fusión de la imagen. Al final, la cantidad de producto de contraste a inyectar es menor y el tiempo de radiación se reduce.

Sin embargo, el uso de un brazo en C rotacional motorizado no es práctico en un quirófano y puede interferir con los movimientos del médico. Asimismo, un equipo de este tipo es costoso y muchos hospitales no pueden permitírselo.

En la mayoría de los casos, los quirófanos están dotados de un brazo en C convencional, móvil y no motorizado, que es un equipo más ligero y menos costoso. Los objetivos de asistencia son los mismos que con los brazos en C motorizados, pero la fusión de imágenes ya no está completamente automatizada. En este caso, el recalibrado se realiza entre la imagen 3D adquirida en la fase preoperatoria y las imágenes 2D adquiridas durante la operación, siendo necesario actualizar el recalibrado en cada movimiento del paciente, de la mesa o del brazo en C.

Asimismo, las imágenes 2D adquiridas durante la fase operatoria, también denominadas imágenes intraoperatorias, contienen diversos contenidos que dificultan el recalibrado. De hecho, estas imágenes contienen estructuras anatómicas de diferentes tipos: estructuras óseas constantemente visibles, estructuras vasculares, total o parcialmente reveladas gracias a los productos de contraste inyectados, así como herramientas endovasculares, por ejemplo, catéteres, guías flexibles o rígidas, o dispositivos de colocación de endoprótesis. Por consiguiente, generalmente es difícil determinar la transformación geométrica entre los datos de las imágenes preoperatorias y los datos de las imágenes intraoperatorias.

Asimismo, las estructuras anatómicas sufren deformaciones entre la fase preoperatoria de adquisición de datos de imágenes 3D y la fase de intervención, pudiendo deberse estas deformaciones por un lado a evoluciones fisiológicas, pero sobre todo, a la introducción de herramientas endovasculares en las estructuras vasculares del paciente. En particular, la estructura vascular se deforma por la introducción de una guía rígida, cuyo objetivo es facilitar la inserción posterior de un sistema de colocación de endoprótesis. En el documento WO03/088143 se describe un procedimiento de asistencia y guiado de navegación de una herramienta según el preámbulo de la reivindicación 1.

El objeto de la invención es remediar los inconvenientes de los métodos conocidos, para mejorar las intervenciones endovasculares guiadas por imágenes permitiendo tener en cuenta mejor las deformaciones de las estructuras vasculares del paciente durante la fase de intervención.

Para ello, la invención describe un sistema de ayuda al guiado como se describe en el juego de reivindicaciones.

Ventajosamente, el procedimiento descrito a continuación comprende una combinación de una transformación rígida y una transformación elástica, permitiendo generar un segundo modelo tridimensional de las estructuras vasculares objetivo que se deforma en coherencia con las deformaciones de estas estructuras durante la fase de intervención. De esta manera, el segundo modelo tridimensional se muestra superpuesto a las imágenes bidimensionales adquiridas en un contexto actualizado en relación con la anatomía del paciente, lo que permite mejorar la asistencia brindada durante una intervención endovascular mínimamente invasiva.

El procedimiento también puede presentar una o más de las siguientes características, consideradas de manera independiente o en combinación.

La etapa de estimación de una transformación elástica incluye un modelado de las estructuras vasculares del paciente a partir de la imagen tridimensional preoperatoria adquirida.

La etapa de estimación de una transformación elástica incluye la construcción de un modelo biomecánico de interacción entre las estructuras vasculares y la herramienta endovascular.

El procedimiento incluye una simulación de la interacción entre la herramienta endovascular y la estructura vascular objetivo realizada por un método de análisis de elementos finitos.

La estimación de la transformación elástica incluye una etapa de corrección adicional utilizando dichas imágenes bidimensionales intraoperatorias.

La etapa de corrección incluye una proyección de las posiciones simuladas de la herramienta endovascular en al menos una imagen bidimensional intraoperatoria tomada después de la introducción efectiva de la herramienta endovascular, y una cuantificación de la diferencia entre dichas posiciones simuladas y posiciones efectivas de la herramienta endovascular.

El procedimiento comprende además una etapa de recalibrado entre dichas posiciones simuladas y dichas posiciones efectivas.

El primer modelo anatómico tridimensional específico del paciente se representa mediante una estructura entre un volumen, una red en malla de puntos, un conjunto de contornos y un conjunto de marcadores anatómicos.

La estimación de una transformación rígida se efectúa mediante un recalibrado automático, semiautomático o manual entre la imagen tridimensional preoperatoria y al menos una imagen bidimensional intraoperatoria.

La invención se refiere a un Sistema de ayuda al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares, caracterizado por que comprende un dispositivo de obtención de imágenes adecuado para adquirir imágenes bidimensionales de partes del cuerpo de un paciente, un dispositivo programable y una unidad de visualización.

El sistema es adecuado para que:

- durante una fase de planificación previa,

• obtener y memorizar una imagen tridimensional preoperatoria que comprende una estructura vascular objetivo de un paciente,

• determinar un primer modelo anatómico tridimensional específico del paciente a partir de la imagen tridimensional adquirida, situándose este primer modelo anatómico tridimensional en el mismo marco de referencia espacial que la imagen tridimensional,

- durante una fase de intervención,

• adquirir una o más imágenes bidimensionales intraoperatorias que comprenden la estructura vascular objetivo del paciente, opacificada o no,

• estimar una transformación rígida entre la imagen tridimensional preoperatoria y las imágenes bidimensionales intraoperatorias,

• estimar una transformación elástica entre dicha imagen tridimensional y las imágenes bidimensionales en función de la transformación rígida y de una simulación de deformaciones vasculares inducidas por la introducción de la herramienta en la estructura vascular objetivo,

• aplicar una combinación de la transformación rígida y de la transformación elástica al primer modelo anatómico tridimensional específico del paciente para obtener un segundo modelo tridimensional específico del paciente,

• visualizar en la unidad de visualización, dicho segundo modelo tridimensional específico del paciente superpuesto sobre las imágenes bidimensionales adquiridas.

Según un segundo aspecto, la invención se refiere a un programa informático que incluye instrucciones para implementar las etapas de un procedimiento para ayudar al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares tal y como se ha descrito brevemente con anterioridad, durante la ejecución del programa por un procesador de un dispositivo programable.

Otras características y ventajas de la invención se desprenderán de la descripción que se ofrece a continuación, a título indicativo y de ningún modo limitativo, con referencia a las figuras adjuntas, entre las cuales:

- la figura 1 representa esquemáticamente un sistema de intervención endovascular guiado por imágenes; - la figura 2 es un cuadro sinóptico de los bloques principales de un dispositivo programable adecuado para implementar el procedimiento de la invención;

- la figura 3 es un diagrama de flujo de un procedimiento para ayudar al guiado de una herramienta endovascular;

- la figura 4 es un diagrama de flujo de etapas de la determinación de una transformación elástica según una realización de la invención;

- la figura 5 es un ejemplo de imágenes de estructuras vasculares después del recalibrado;

- la figura 6 es un ejemplo de fusión de una imagen 2D intraoperatoria y de un modelo anatómico antes y después de la aplicación de la transformación elástica;

- la figura 7 es un ejemplo de una visualización mejorada que incluye un modelo anatómico después de la aplicación de la transformación elástica.

La figura 1 ilustra esquemáticamente un quirófano 1, dotado de un sistema de intervención 10 endovascular guiado por imágenes.

El quirófano 1 está dotado de una mesa de operaciones 12, sobre cual se muestra a un paciente 14 que se va a tratar mediante una intervención endovascular.

El sistema de intervención 10 incluye un dispositivo 21 de obtención de imágenes de rayos X, compuesto a su vez por un dispositivo de soporte 16 en forma de arco, una fuente 18 de rayos X y una unidad 20 de recepción y detección de rayos X, colocada frente a la fuente 18. Este dispositivo de obtención de imágenes es adecuado para capturar imágenes de los elementos colocados entre la fuente 18 de rayos X y la unidad 20 de recepción y detección, y también es adecuado para girar alrededor de dos ejes, el eje X y el eje Y según lo requiera el operario.

De esta manera, el dispositivo 21 de obtención de imágenes ilustrado, es adecuado para captar imágenes radiográficas bidimensionales de diversas partes del cuerpo del paciente, que comprende estructuras vasculares objetivo.

El sistema de intervención 10 también incluye un dispositivo 22 programable, que incluye uno o más procesadores, asociado a una unidad de visualización 24 compuesta por una o más pantallas y una interfaz 26 hombre-aparato.

La interfaz 26 hombre-aparato incluye medios para señalar y seleccionar elementos, por ejemplo, un conjunto de teclado y ratón, un panel táctil, una interfaz gestual 3D sin contacto o una combinación de estos dispositivos.

En una realización, la interfaz 26 hombre-aparato está integrada con la unidad de visualización 24 en forma de una pantalla táctil.

El dispositivo 22 programable es adecuado para recibir las imágenes radiográficas bidimensionales adquiridas por el dispositivo de obtención de imágenes de rayos X y para procesarlas según un procedimiento para ayudar al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares según la invención.

Las imágenes bidimensionales adquiridas durante la fase de intervención se muestran en la unidad de visualización 24, junto con un modelo tridimensional específico para el paciente, lo que permite un guiado más preciso de las herramientas endovasculares en un contexto actualizado con respecto a la anatomía del paciente.

Las herramientas endovasculares se seleccionan entre un catéter, un dispositivo endovascular tipo stent, una guía flexible o rígida, un catéter, una endoprótesis o un globo.

La figura 2 ilustra los bloques principales de un dispositivo 30 programable adecuado para implementar el procedimiento para ayudar al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares según una realización de la invención.

Un dispositivo 30 programable adecuado para implementar la invención, incluye una pantalla 32, similar a la unidad de visualización 24, una unidad 34 para introducir los comandos de un operario, por ejemplo, un teclado, un ratón, un panel táctil o una interfaz sin contacto, una unidad central de procesamiento 36 o CPU (del inglés Central Processing Unit), adecuada para ejecutar las instrucciones del programa informático cuando el dispositivo 30 está encendido. El dispositivo 30 incluye opcionalmente un controlador 40, lo que le permite enviar comandos y seleccionar elementos a distancia.

El dispositivo 30 también incluye una unidad de almacenamiento de información 38, por ejemplo, registros, adecuados para almacenar instrucciones de código ejecutables que permitan la implementación de programas que incluyen instrucciones de código adecuadas para implementar el procedimiento según la invención. Los diversos bloques funcionales del dispositivo 30 descritos anteriormente están conectados a través de un bus de comunicación 42. El dispositivo 30 es adecuado para recibir datos de imágenes de una fuente 44.

El procedimiento es adecuado para ser implementado por un dispositivo programable, tal como un ordenador integrado en un quirófano estándar, lo que permite limitar los costes de equipamiento.

La figura 3 representa las etapas principales implementadas en un procedimiento para ayudar al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares, implementado por un procesador 36 de un dispositivo 30 programable.

El procedimiento incluye dos fases, una fase de planificación preoperatoria P¹; que se efectúa antes de la intervención y cuyos resultados se memorizan, y una fase de intervención P², efectuada durante una intervención de un médico en un paciente.

En la realización ilustrada en la figura 3, la fase de planificación P¹incluye la implementación de dos etapas.

Una primera etapa 50 consiste en adquirir y memorizar una imagen 3D preoperatoria de una parte del cuerpo del paciente que incluye una estructura vascular del paciente a tratar.

Por ejemplo, para un aneurisma aórtico abdominal, la imagen 3D adquirida incluye la aorta abdominal.

Por ejemplo, la imagen 3D, también denominada imagen de volumen, se obtiene mediante la técnica de tomografía conocida como TC.

Como alternativa, se utilizan otras técnicas conocidas tales como angiografía o IRM.

Estas técnicas de adquisición de imágenes en 3D son conocidas en el campo de la formación de imágenes médicas y no se describen con detalle en el presente documento.

La imagen 3D preoperatoria se memoriza en un formato apropiado en una memoria del dispositivo programable que implementa el procedimiento de la invención.

Ventajosamente, la imagen 3D obtenida es representativa de la anatomía del paciente a tratar, y permite tomar medidas y dimensionar las herramientas endovasculares que se utilizarán durante la intervención.

La etapa 50 de adquisición de una imagen 3D de una estructura vascular del paciente va seguida, en la fase de planificación P¹; de una etapa 52 de determinación de un primer modelo anatómico tridimensional virtual del paciente (modelo que comprende un modelo de la estructura vascular objetivo).

Este primer modelo anatómico tridimensional virtual se obtiene mediante el tratamiento de la imagen aplicado a la imagen 3D, mediante la aplicación de algoritmos automáticos o semiautomáticos.

Por ejemplo, se puede utilizar un algoritmo de segmentación semiautomático del tipo de corte de gráfico. Este algoritmo, asequible en cuando a interacción con el usuario, proporciona resultados rápidos y precisos y permite obtener una segmentación precisa de la aorta y de las arterias ilíacas internas y renales.

Dependiendo del algoritmo utilizado, el primer modelo anatómico tridimensional virtual se representa en forma de un volumen (imagen 3D), una red en malla de puntos (o "mesh" en inglés), un conjunto de contornos, marcadores anatómicos o una combinación de estos elementos. La representación del primer modelo anatómico tridimensional virtual se memoriza para su uso en la fase de intervención P².

Por ejemplo, dicho un primer modelo anatómico tridimensional virtual M¹puede incluir volúmenes segmentados de la aorta, de las arterias ilíacas internas y arterias renales, de la columna vertebral, así como placas calcificadas.

A la fase de planificación preoperatoria P1 la sigue la fase de intervención P2.

Durante una etapa 54 de adquisición de imágenes en la fase de intervención, se obtienen varias imágenes 2D intraoperatorias que incluyen una región anatómica de interés del paciente. La región anatómica de interés incluye la estructura vascular objetivo, opacificada o no mediante productos de contraste.

Según una realización, la adquisición de imágenes se realiza mediante un dispositivo 21 de obtención de imágenes fluoroscópicas de rayos X, que comprende un dispositivo de soporte de tipo brazo en C, como se ilustra en la figura 1. Estas imágenes se obtienen en tiempo real y forman un flujo de vídeo. Las estructuras vasculares se pueden hacer visibles temporalmente gracias a un producto de contraste inyectado.

Como alternativa, las imágenes 2D intraoperatorias se obtienen mediante un dispositivo de adquisición de imágenes por ultrasonido.

La pluralidad de imágenes 2D intraoperatorias adquiridas en la etapa de adquisición 54 comprende al menos una imagen 2D de la región anatómica de interés.

La etapa de adquisición 54 de imágenes 2D intraoperatorias es seguida de una etapa 56 de estimación de una transformación rígida Tr que permite efectuar un recalibrado espacial entre la imagen 3D preoperatoria adquirida durante la etapa 50 y las imágenes 2D intraoperatorias adquiridas durante la etapa 54. La transformación rígida estimada permite hacer coincidir las estructuras de interés de cada imagen 2D intraoperatoria con las de la imagen 3D preoperatoria. Las estructuras de interés incluyen, por ejemplo, estructuras óseas constantemente visibles.

En otras palabras, se trata de estimar una transformación rígida Tr que hace coincidir el marco de referencia espacial de la imagen 3D y del primer modelo anatómico tridimensional virtual con el marco de referencia espacial de las imágenes adquiridas durante la fase operatoria.

Según una primera realización, la etapa 56 implementa la visualización simultánea de las imágenes 3D y las imágenes 2D adquiridas, y un recalibrado manual, efectuado mediante inspección visual, de varios puntos de interés de imágenes 3D e imágenes 2D inspeccionadas.

Según una alternativa, se implementa un algoritmo de recalibrado automático. Cabe señalar que, en el campo de la obtención de imágenes médicas, se conocen muchos algoritmos de recalibrado 3D/2D.

Por ejemplo, se puede implementar un recalibrado automático de tipo icónico, utilizando una medida de similitud basada en la diferencia de gradientes entre la imagen 3D preoperatoria y una o más imágenes 2D intraoperatorias, junto con una estrategia de optimización de tipo descenso de gradiente u optimizador de Powell.

Según otra alternativa, se implementa un recalibrado semiautomático, en el que la determinación de una transformación inicial se realiza manualmente. En este tipo de método, la iniciación manual permite hacer coincidir aproximadamente las dos imágenes que se van a recalibrar y, a continuación, para afinar el resultado se pone en marcha el recalibrado automático.

Al final de la etapa 56, los valores de los parámetros que definen la transformación rígida estimada se memorizan.

Ventajosamente, la etapa de determinación 56 de una transformación rígida se puede efectuar en varios estadios de la intervención, por ejemplo, antes de la introducción de las herramientas endovasculares en la estructura vascular del paciente, o después de esta introducción.

Del mismo modo, la etapa de determinación 56 de una transformación rígida se puede efectuar a partir de una o más imágenes 2D intraoperatorias, adquiridas con o sin inyección de un producto de contraste, mostrando estructura ósea o estructura vascular, con la presencia de herramientas o no, así como utilizando un solo ángulo de incidencia del brazo en C o varios.

En este estadio, el recalibrado no es lo suficientemente preciso como para que sea posible hacer coincidir perfectamente la imagen 3D preoperatoria con las imágenes 2D intraoperatorias. La etapa de determinación 56 de una transformación rígida es, por tanto, seguida de una etapa de estimación 58 de una transformación elástica de ajuste T^d, permitiendo mejorar el recalibrado entre la imagen 3D preoperatoria y las imágenes 2D intraoperatorias.

La estimación de la transformación elástica se basa en una deformación de las estructuras anatómicas debido a la introducción de una herramienta endovascular en las estructuras vasculares del paciente.

Se considera que la herramienta introducida, por ejemplo, una guía o un catéter, es la principal causa de las deformaciones, y que las deformaciones introducidas pueden modelarse mediante un modelo biomecánico específico.

Una realización de la determinación o estimación de una transformación elástica se describirá con más detalle a continuación con referencia a la figura 4.

La etapa de determinación de una transformación elástica es seguida de una etapa 60 de combinación de la transformación rígida T^ry de los parámetros de deformación de la transformación elástica T^dpara obtener una transformación final TF.

La transformación geométrica final permite hacer coincidir cada punto de las imágenes 2D intraoperatorias con un punto o vóxel en el espacio de las imágenes 3D preoperatorias.

La transformación geométrica final se aplica al primer modelo anatómico tridimensional virtual M¹para obtener un segundo modelo anatómico tridimensional virtual M²deformado.

Este segundo modelo anatómico tridimensional M²es más preciso ya que tiene en cuenta las deformaciones habituales de las estructuras vasculares durante la fase de intervención.

Por ejemplo, la transformación final T^fse aplica a todos los puntos de red en malla que definen el modelo M¹para obtener puntos de red en malla que definan el modelo M², y estos puntos de red en malla que definen el modelo M²se memorizan.

Finalmente, durante una etapa de visualización 62, el segundo modelo anatómico tridimensional obtenido se muestra en superposición con las imágenes 2D intraoperatorias.

Se mejora así la ayuda en la navegación endovascular y en el guiado de la introducción de una herramienta endovascular en la estructura vascular del paciente, ya que el modelo anatómico específico del paciente es más preciso y se adapta mejor al contexto intraoperatorio.

Ventajosamente, la ayuda proporcionada por la visualización de la fusión de imágenes permite, por tanto, asegurar, garantizar y guiar la acción intervencionista proporcionando información relevante extraída en la fase preoperatoria y comunicada en el quirófano. Debería permitir reducir a largo plazo las inyecciones de productos de contraste y las emisiones de rayos X.

La figura 4 ilustra una realización de la etapa de determinación de una transformación elástica.

La determinación de una transformación elástica incluye una primera etapa de modelado 64 de la estructura vascular objetivo del paciente realizada a partir de datos preoperatorios, en particular, a partir de imágenes 3D memorizadas. El modelado consiste en crear una representación geométrica de la estructura vascular que se puede utilizar para estimar las deformaciones vasculares.

En una realización, la estructura vascular está modelada por curvas B-spline correspondientes a los perfiles del primer modelo anatómico. La interpolación se realiza entre las curvas B-spline para crear un modelo de superficie que represente la pared vascular.

Después, se implementa una etapa 66 de construcción de un modelo biomecánico específico para el paciente. Esta etapa consiste en definir el comportamiento mecánico de la estructura vascular atribuyendo propiedades mecánicas a la representación geométrica obtenida en la etapa 64. El modelo biomecánico debe tener en cuenta las especificidades del paciente, es decir, el estado local de la pared vascular (sana, calcificada) y la relación entre la estructura vascular y su entorno directo (interacciones con la estructura ósea y los tejidos blandos circundantes).

En una realización, una simulación de las interacciones entre las herramientas y la estructura vascular, como se describe con referencia a la etapa 70 a continuación, se realiza en conjunto de los llamados pacientes en aprendizaje. El error de simulación se cuantifica midiendo la diferencia entre la forma de las herramientas simuladas y la de las herramientas reales observables en una o más imágenes intraoperatorias. Los parámetros del modelo biomecánico que definen la relación entre la estructura vascular y su entorno directo se ajustan progresivamente para minimizar el error de simulación.

Las expresiones que relacionan los datos preoperatorios de las imágenes 3D memorizadas con el valor de los parámetros del modelo biomecánico se definen en base a los valores óptimos obtenidos tras el ajuste progresivo de los parámetros del modelo biomecánico para cada paciente. Estas expresiones definen un modelo biomecánico adaptativo completamente definido a partir de datos preoperatorios de imágenes 3D memorizadas y de conocimientos anatómicos y mecánicos.

En una realización, los valores utilizados para la rigidez de los tejidos se toman de los datos promedio obtenidos de las caracterizaciones publicadas en la bibliografía, mientras que el estado de calcificación de las arterias se tiene en cuenta de forma específica para cada paciente atribuyendo una rigidez diferente a las zonas calcificadas y a las zonas sanas diferenciables en la imagen preoperatoria. Para los niveles de deformación alcanzados durante las simulaciones, la anisotropía de la pared puede despreciarse.

La siguiente etapa de modelado 68 de herramientas endovasculares consiste en crear una representación geométrica de las mismas según su forma real y en definir una ley de comportamiento según sus propiedades mecánicas.

Por ejemplo, una guía rígida utilizada en procedimientos mínimamente invasivos puede modelarse mediante elementos 1D del tipo de viga de sección circular. Para los dispositivos de colocación, se podría utilizar para el modelado una estructura tubular de sección homogénea a la que se asigne un material de rigidez equivalente.

En una realización, las propiedades mecánicas de las herramientas endovasculares se caracterizan mediante ensayos mecánicos que permiten establecer una relación entre la fuerza aplicada a la herramienta y la deformación de la herramienta. Por ejemplo, para cuantificar la rigidez a la flexión de las herramientas endovasculares, se puede realizar una prueba de flexión de 3 puntos. Las propiedades así caracterizadas se utilizan en simulaciones para representar el comportamiento mecánico real de las herramientas.

La etapa de modelado 68 de herramientas endovasculares va seguida de una etapa de simulación 70 de la interacción de las herramientas endovasculares introducidas o que se van a introducir en la estructura vascular con la pared de la estructura vascular del paciente.

En una realización, la simulación se realiza mediante un análisis de elementos finitos. La representación geométrica del modelo biomecánico específico del paciente y del modelo de las herramientas endovasculares se discretiza en un conjunto de elementos que poseen una forma predeterminada (elementos de carcasa triangular, elementos de viga, elementos hexaédricos...).

El comportamiento mecánico de cada elemento se define según el comportamiento mecánico previamente atribuido a los modelos de la estructura vascular y de las herramientas endovasculares. Las interacciones entre los dos modelos se gestionan mediante un método de gestión de contacto, por ejemplo, mediante un método de penalización.

En una realización, las condiciones de contorno se definen con respecto a cuestiones anatómicas y mecánicas procedentes de la bibliografía y del conocimiento de cirujanos expertos. Por ejemplo, los extremos proximal y distal de la estructura vascular están fijos y la conexión entre la estructura vascular y los tejidos circundantes se modela mediante una rigidez adicional.

En una realización, el pretensado vascular se aplica antes de simular las interacciones herramienta/tejido. Su función es tener en cuenta el estado de reposo de la estructura vascular. Antes de simular las interacciones herramienta/tejido, se tiene en cuenta el estado de tensión previa de la pared vascular debido a la presencia de la presión sanguínea. Para ello, se determina una geometría correspondiente al estado de reposo de la estructura vascular (presión sanguínea nula), denominada de "presión cero", y a continuación se aplica la presión arterial en esta geometría de "presión cero" para poner en tensión la pared vascular.

La geometría de la pared vascular se determina, en particular, mediante parámetros de diámetro, longitud, angulación, espesor.

La geometría de referencia observada en la imagen preoperatoria se elige como la primera estimación del estado de presión cero, y después luego se corrige iterativamente en cada paso del algoritmo. Por eso, cada iteración consiste en aplicar la presión interna en la geometría de presión cero y después en comparar la geometría final así obtenida con la geometría de referencia. A continuación, la geometría de presión cero se corrige aplicando el inverso de las desviaciones de posición observadas.

La simulación de la interacción de las herramientas endovasculares con la pared de la estructura vascular del paciente se realiza inicializando las herramientas en el interior de la estructura vascular mediante restricciones impuestas, por ejemplo, de tipo de desplazamientos impuestos, y después, observando las deformaciones vasculares provocadas por las herramientas cuando las tensiones impuestas se anulan progresivamente.

La iniciación consiste en presionar la herramienta en el interior de la luz vascular, por ejemplo, en una trayectoria que minimice su energía de flexión. Una vez en el interior de la luz vascular, se activa el contacto entre la cara interna de la pared vascular y la herramienta. Finalmente, las presiones necesarias para la iniciación se relajan progresivamente. Se establecerá entonces un equilibrio mecánico entre la herramienta y la estructura vascular generando las deformaciones vasculares que deseamos calcular.

En una realización alternativa de la simulación, las herramientas se insertan progresivamente en el interior de la estructura vascular hasta que están completamente insertadas. Las deformidades vasculares se pueden calcular en cada subetapa de inserción progresiva.

Las etapas descritas anteriormente definen una realización para definir la transformación elástica.

En una realización alternativa, la determinación de una transformación elástica incluye una etapa de corrección adicional. Esta etapa consiste en proyectar las posiciones simuladas de la herramienta introducida sobre una o más imágenes 2D intraoperatorias, en cuantificar la diferencia entre las posiciones simuladas y las posiciones efectivas de la herramienta real, y en utilizar un modelo de recalibrado 2D/2D para determinar una corrección para la transformación elástica. Se puede utilizar un algoritmo de recalibrado 2D/2D conocido, tal como un recalibrado utilizando un enfoque geométrico.

La figura 5 ilustra una estructura vascular V⁰, el resultado I¹de la transformación rígida Tr aplicado a una imagen 3D preoperatoria que se muestra en la sección, y el resultado I²de la transformación final Tf, resultantes de la combinación de la transformación rígida y de la transformación elástica, aplicada a la misma imagen 3D preoperatoria.

En el centro, se ilustra el resultado de la transformación elástica.

La figura 6 ilustra esquemáticamente una fusión de imagen 2D intraoperatoria I³y de un modelo anatómico tridimensional para facilitar el guiado y la navegación de la introducción de la herramienta endovascular.

En la ilustración 80, la transformación rígida Tr del primer modelo anatómico tridimensional M¹se proyecta en la imagen intraoperatoria I³.

En la ilustración 82, el segundo modelo anatómico tridimensional M²se proyecta en la imagen intraoperatoria I³. De preferencia, se aplica una función de opacidad a la imagen intraoperatoria 2D, permitiendo mejorar la visualización simultánea de las herramientas endovasculares y el del modelo anatómico tridimensional proyectado.

Asimismo, la invención permite mejorar el guiado y la navegación en estructuras vasculares mediante la visualización de información adicional obtenida del segundo modelo anatómico tridimensional que es representativo de las deformaciones de las estructuras vasculares en el momento de la intervención.

La figura 7 ilustra un modelo anatómico tridimensional de este tipo después de la deformación 84 mostrado en superposición de una imagen en 2D intraoperatoria 86. De este modo, la visualización se enriquece con información adicional en realidad aumentada.

La visualización también contiene una línea central aórtica 88 calculada, así como marcadores anatómicos 90, 92, 94 superpuestos en puntos anatómicos de interés, es decir, el orificio 90 y los puntos de partida de la arteria ilíaca derecha 92 y la izquierda 94.

Todos los marcadores anatómicos se han extraído anteriormente del primer modelo anatómico tridimensional, y son indicaciones visuales que permiten enriquecer toda la información proporcionada al médico.

Ventajosamente, un uso del modelo anatómico tridimensional deformado proporcionado por la invención, es el seguimiento de la herramienta endovascular insertada, permitiendo proporcionar una localización espacial de la herramienta en tiempo real. Este seguimiento se basa en marcadores radiopacos, en un sistema de infrarrojo o en un sistema electromagnético.

Según otra alternativa, el seguimiento de la herramienta se efectúa manualmente seleccionando la herramienta endovascular que se está siguiendo en la imagen mostrada.

La invención encuentra aplicaciones en diversos procedimientos que requieren intervenciones endovasculares, en particular, el tratamiento de aneurismas, traumatismos vasculares o arteriosclerosis.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema de ayuda al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares, que comprende un dispositivo de obtención de imágenes adecuado para adquirir imágenes bidimensionales de partes del cuerpo de un paciente, un dispositivo programable y una unidad de visualización, estando adaptado dicho sistema a;

- durante una fase de planificación (P¹) previa,

• obtener y memorizar (50) una imagen tridimensional preoperatoria que comprende una estructura vascular objetivo de un paciente,

• determinar (52) un primer modelo anatómico tridimensional (M¹) específico del paciente a partir de la imagen tridimensional adquirida, estando ubicado este primer modelo anatómico tridimensional (M¹) en el mismo marco de referencia espacial que la imagen tridimensional,

- durante una fase de intervención (P²),

• adquirir (54) una o más imágenes bidimensionales intraoperatorias que comprenden la estructura vascular objetivo del paciente, opacificada o no,

• estimar (56) una transformación rígida entre la imagen tridimensional preoperatoria y las imágenes bidimensionales intraoperatorias, estando dicho sistema caracterizado por que además es adecuado para:

• estimar (58) una transformación elástica entre dicha imagen tridimensional y las imágenes bidimensionales en función de la transformación rígida y de una simulación de deformaciones vasculares inducidas por una introducción de la herramienta en la estructura vascular objetivo, obteniéndose dicha simulación en función de un estado local de la estructura vascular objetivo, una relación entre la estructura vascular objetivo y su entorno directo, y las propiedades mecánicas de la herramienta endovascular,

• aplicar (60) una combinación de la transformación rígida y de la transformación elástica al primer modelo anatómico tridimensional (M¹) específico del paciente para obtener un segundo modelo tridimensional (M²) específico del paciente,

• visualizar (62) en la unidad de visualización dicho segundo modelo tridimensional específico del paciente superpuesto sobre las imágenes bidimensionales adquiridas.

2. Sistema según la reivindicación 1, estando adaptado dicho sistema para modelar (64) estructuras vasculares del paciente a partir de la imagen tridimensional preoperatoria adquirida durante dicha estimación (58) de una transformación elástica.

3. Sistema según una de las reivindicaciones 1 o 2, estando adaptado dicho sistema para construir (66) un modelo biomecánico de interacción entre las estructuras vasculares y la herramienta endovascular durante dicha estimación (58) de una transformación elástica.

4. Sistema según la reivindicación 3, estando adaptado dicho sistema para realizar una simulación (68, 70) de la interacción entre la herramienta endovascular y la estructura vascular objetivo mediante un método de análisis de elementos finitos.

5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, estando adaptado dicho sistema además para implementar una corrección utilizando dichas imágenes bidimensionales intraoperatorias durante dicha estimación (58) de una transformación elástica.

6. Sistema según la reivindicación 5, estando adaptado dicho sistema además para realizar, durante dicha corrección, una proyección de las posiciones simuladas de la herramienta endovascular en al menos una imagen bidimensional intraoperatoria tomada después de la introducción efectiva de la herramienta endovascular, y una cuantificación de la diferencia entre dichas posiciones simuladas y posiciones efectivas de la herramienta endovascular.

7. Sistema según la reivindicación 6, estando adaptado dicho sistema además para efectuar un recalibrado entre dichas posiciones simuladas y dichas posiciones efectivas.

8. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el primer modelo anatómico tridimensional específico del paciente está representado por una estructura entre un volumen, una red en malla de puntos, un conjunto de contornos y un conjunto de marcadores anatómicos.

9. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la determinación de una transformación rígida se efectúa mediante recalibrado automático, semiautomático o manual entre la imagen tridimensional preoperatoria y al menos una imagen bidimensional intraoperatoria.

10. Producto de programa informático que incluye instrucciones para implementar las siguientes etapas de un procedimiento para ayudar al guiado de una herramienta endovascular en estructuras vasculares durante la ejecución del programa por un procesador de un dispositivo programable:

- durante una fase de planificación (P¹) previa,

• la obtención (50) y memorización de una imagen tridimensional preoperatoria que comprende una estructura vascular objetivo de un paciente,

• la determinación (52) de un primer modelo anatómico tridimensional (M¹) específico del paciente a partir de la imagen tridimensional adquirida, situándose este primer modelo anatómico tridimensional en el mismo marco de referencia espacial que la imagen tridimensional,

- durante una fase de intervención (P²),

• la adquisición (54) de una o más imágenes bidimensionales intraoperatorias que comprenden la estructura vascular objetivo del paciente, opacificada o no,

• la estimación (56) de una transformación rígida entre la imagen tridimensional preoperatoria y las imágenes bidimensionales intraoperatorias,

• la estimación (58) de una transformación elástica entre dicha imagen tridimensional y las imágenes bidimensionales en función de la transformación rígida y de una simulación de deformaciones vasculares inducidas por una introducción de la herramienta en la estructura vascular objetivo, obteniéndose dicha simulación en función de un estado local de la estructura vascular objetivo, una relación entre la estructura vascular objetivo y su entorno directo, y las propiedades mecánicas de la herramienta endovascular,

• la aplicación (60) de una transformación final, la combinación de la transformación rígida y de la transformación elástica, al primer modelo anatómico tridimensional (M¹) específico del paciente para obtener un segundo modelo tridimensional (M²) específico del paciente,

• visualizar (62) dicho segundo modelo tridimensional específico del paciente superpuesto sobre las imágenes bidimensionales adquiridas.