Estado del arte de los sistemas de navegación en cirugía hepática

Los avances en instrumentación, tecnologías de localización y en técnicas de procesado de imagen han permitido el desarrollo de la cirugía guiada por imagen (CGI). En concreto, los sistemas de navegación quirúrgicos permiten transferir los estudios preoperatorios, imágenes y decisiones al propio quirófano, sirviendo de apoyo a los cirujanos durante la intervención. Los principales retos de estos sistemas se hallan en su incorporación en cirugías de tejidos blandos, donde la deformación y el movimiento de los órganos complican el desarrollo de estos sistemas. Tal es el caso de las cirugías hepáticas. El presente trabajo recoge un estado del arte de sistemas de navegación centrados en cirugía hepática

Multimodal non-rigid image registration methods for therapy and surgery planning

La planificación pre-operatoria se ha convertido en una tarea esencial en cirugías y terapias de marcada complejidad, especialmente aquellas relacionadas con órgano blando. Un ejemplo donde la planificación preoperatoria tiene gran interés es la cirugía hepática. Dicha planificación comprende la detección e identificación precisa de las lesiones individuales y vasos así como la correcta segmentación y estimación volumétrica del hígado funcional. Este proceso es muy importante porque determina tanto si el paciente es un candidato adecuado para terapia quirúrgica como la definición del abordaje a seguir en el procedimiento. La radioterapia de órgano blando es un segundo ejemplo donde la planificación se requiere tanto para la radioterapia externa convencional como para la radioterapia intraoperatoria. La planificación comprende la segmentación de tumor y órganos vulnerables y la estimación de la dosimetría. La segmentación de hígado funcional y la estimación volumétrica para planificación de la cirugía se estiman habitualmente a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC). De igual modo, en la planificación de radioterapia, los objetivos de la radiación se delinean normalmente sobre TC. Sin embargo, los avances en las tecnologías de imagen de resonancia magnética (RM) están ofreciendo progresivamente ventajas adicionales. Por ejemplo, se ha visto que el ratio de detección de metástasis hepáticas es significativamente superior en RM con contraste Gd–EOB–DTPA que en TC. Por tanto, recientes estudios han destacado la importancia de combinar la información de TC y RM para conseguir el mayor nivel posible de precisión en radioterapia y para facilitar una descripción precisa de las lesiones del hígado. Con el objetivo de mejorar la planificación preoperatoria en ambos escenarios se precisa claramente de un algoritmo de registro no rígido de imagen. Sin embargo, la gran mayoría de sistemas comerciales solo proporcionan métodos de registro rígido. Las medidas de intensidad de voxel han demostrado ser criterios de similitud de imágenes robustos, y, entre ellas, la Información Mutua (IM) es siempre la primera elegida en registros multimodales. Sin embargo, uno de los principales problemas de la IM es la ausencia de información espacial y la asunción de que las relaciones estadísticas entre las imágenes son homogéneas a lo largo de su domino completo. La hipótesis de esta tesis es que la incorporación de información espacial de órganos al proceso de registro puede mejorar la robustez y calidad del mismo, beneficiándose de la disponibilidad de las segmentaciones clínicas. En este trabajo, se propone y valida un esquema de registro multimodal no rígido 3D usando una nueva métrica llamada Información Mutua Centrada en el Órgano (Organ-Focused Mutual Information metric (OF-MI)) y se compara con la formulación clásica de la Información Mutua. Esto permite mejorar los resultados del registro en áreas problemáticas incorporando información regional al criterio de similitud, beneficiándose de la disponibilidad real de segmentaciones en protocolos estándares clínicos, y permitiendo que la dependencia estadística entre las dos modalidades de imagen difiera entre órganos o regiones. El método propuesto se ha aplicado al registro de TC y RM con contraste Gd–EOB–DTPA así como al registro de imágenes de TC y MR para planificación de radioterapia intraoperatoria rectal. Adicionalmente, se ha desarrollado un algoritmo de apoyo de segmentación 3D basado en Level-Sets para la incorporación de la información de órgano en el registro. El algoritmo de segmentación se ha diseñado específicamente para la estimación volumétrica de hígado sano funcional y ha demostrado un buen funcionamiento en un conjunto de imágenes de TC abdominales. Los resultados muestran una mejora estadísticamente significativa de OF-MI comparada con la Información Mutua clásica en las medidas de calidad de los registros; tanto con datos simulados (p<0.001) como con datos reales en registro hepático de TC y RM con contraste Gd– EOB–DTPA y en registro para planificación de radioterapia rectal usando OF-MI multi-órgano (p<0.05). Adicionalmente, OF-MI presenta resultados más estables con menor dispersión que la Información Mutua y un comportamiento más robusto con respecto a cambios en la relación señal-ruido y a la variación de parámetros. La métrica OF-MI propuesta en esta tesis presenta siempre igual o mayor precisión que la clásica Información Mutua y consecuentemente puede ser una muy buena alternativa en aplicaciones donde la robustez del método y la facilidad en la elección de parámetros sean particularmente importantes. Abstract Pre-operative planning has become an essential task in complex surgeries and therapies, especially for those affecting soft tissue. One example where soft tissue preoperative planning is of high interest is liver surgery. It involves the accurate detection and identification of individual liver lesions and vessels as well as the proper functional liver segmentation and volume estimation. This process is very important because it determines whether the patient is a suitable candidate for surgical therapy and the type of procedure. Soft tissue radiation therapy is a second example where planning is required for both conventional external and intraoperative radiotherapy. It involves the segmentation of the tumor target and vulnerable organs and the estimation of the planned dose. Functional liver segmentations and volume estimations for surgery planning are commonly estimated from computed tomography (CT) images. Similarly, in radiation therapy planning, targets to be irradiated and healthy and vulnerable tissues to be protected from irradiation are commonly delineated on CT scans. However, developments in magnetic resonance imaging (MRI) technology are progressively offering advantages. For instance, the hepatic metastasis detection rate has been found to be significantly higher in Gd–EOB–DTPAenhanced MRI than in CT. Therefore, recent studies highlight the importance of combining the information from CT and MRI to achieve the highest level of accuracy in radiotherapy and to facilitate accurate liver lesion description. In order to improve those two soft tissue pre operative planning scenarios, an accurate nonrigid image registration algorithm is clearly required. However, the vast majority of commercial systems only provide rigid registration. Voxel intensity measures have been shown to be robust measures of image similarity, and among them, Mutual Information (MI) is always the first candidate in multimodal registrations. However, one of the main drawbacks of Mutual Information is the absence of spatial information and the assumption that statistical relationships between images are the same over the whole domain of the image. The hypothesis of the present thesis is that incorporating spatial organ information into the registration process may improve the registration robustness and quality, taking advantage of the clinical segmentations availability. In this work, a multimodal nonrigid 3D registration framework using a new Organ- Focused Mutual Information metric (OF-MI) is proposed, validated and compared to the classical formulation of the Mutual Information (MI). It allows improving registration results in problematic areas by adding regional information into the similitude criterion taking advantage of actual segmentations availability in standard clinical protocols and allowing the statistical dependence between the two modalities differ among organs or regions. The proposed method is applied to CT and T1 weighted delayed Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI registration as well as to register CT and MRI images in rectal intraoperative radiotherapy planning. Additionally, a 3D support segmentation algorithm based on Level-Sets has been developed for the incorporation of the organ information into the registration. The segmentation algorithm has been specifically designed for the healthy and functional liver volume estimation demonstrating good performance in a set of abdominal CT studies. Results show a statistical significant improvement of registration quality measures with OF-MI compared to MI with both simulated data (p<0.001) and real data in liver applications registering CT and Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI and in registration for rectal radiotherapy planning using multi-organ OF-MI (p<0.05). Additionally, OF-MI presents more stable results with smaller dispersion than MI and a more robust behavior with respect to SNR changes and parameters variation. The proposed OF-MI always presents equal or better accuracy than the classical MI and consequently can be a very convenient alternative within applications where the robustness of the method and the facility to choose the parameters are particularly important.

El azúcar y el ejercicio físico: su importancia en los deportistas

El glucógeno muscular, principal almacén de glucosa en el organismo, y la glucemia sanguínea constituyen uno de los principales sustratos energéticos para la contracción muscular durante el ejercicio. El azúcar (sacarosa)es un estupendo suplemento al suministrar tanto glucosa como fructosa. Por ello, es esencial que los deportistas cuiden su alimentación, para mantener y aumentar los depósitos de este combustible, ya que las reservas de glucógeno muscular constituyen un factor limitante de la capacidad para realizar ejercicio prolongado. Las dietas ricas en hidratos de carbono se han recomendado para el ejercicio de resistencia y ultraresistencia debido a su relación con el aumento de las reservas musculares de glucógeno y la aparición tardía de la fatiga. Además de las dietas altas en carbohidratos, la ingesta de carbohidratos antes y durante el ejercicio, han demostrado ser beneficiosas debido al aumento de las concentraciones hepáticas de glucógeno y el mantenimiento de las concentraciones de glucosa en sangre. El efecto de la ingesta de carbohidratos sobre el rendimiento deportivo dependerá principalmente de las características del esfuerzo, del tipo y cantidad de carbohidratos ingeridos y del momento de la ingesta. La combinación de todos estos factores debe ser tenida en cuenta a la hora de analizar el rendimiento en las diferentes especialidades deportivas.

Deforestación y Pérdida de hábitat en Bosques de montaña en la Cuenca alta del Río Zamora (Loja, Ecuador)

Los bosques húmedos de montaña se encuentran reconocidos como uno de los ecosistemas más amenazados en el mundo, llegando inclusive a ser considerado como un “hotspot” por su alta diversidad y endemismo. La acelerada pérdida de cobertura vegetal de estos bosques ha ocasionado que, en la actualidad, se encuentren restringidos a una pequeña fracción de su área de distribución histórica. Pese a esto, los estudios realizados sobre cual es efecto de la deforestación, fragmentación, cambios de uso de suelo y su efecto en las comunidades de plantas presentes en este tipo de vegetación aún son muy escuetos, en comparación a los realizados con sus similares amazónicos. En este trabajo, el cual se encuentra dividido en seis capítulos, abordaremos los siguientes objetivos: a) Comprender cuál es la dinámica que han seguido los diferentes tipos de bosques montanos andinos de la cuenca del Rio Zamora, Sur de Ecuador durante entre 1976 y 2002. b) Proveer de evidencia de las tasas de deforestación y fragmentación de todos los tipos diferentes de bosques montanos andinos presentes en la cuenca del Rio Zamora, Sur de Ecuador entre 1976 y 2002. c) Determinar qué factores inducen a la fragmentación de bosques de montaña en la cuenca alta del río Zamora entre 1976 y 2002. d) Determinar cuáles son y cómo afectan los factores ambientales y socioeconómicos a la dinámica de la deforestación y regeneración (pérdida y recuperación del hábitat) sufrida por los bosques de montaña dentro de la zona de estudio y e) Determinar si la deforestación y fragmentación actúan sobre la diversidad y estructura de las comunidades de tres tipos de organismos (comunidades de árboles, comunidades de líquenes epífitos y comunidades de hepáticas epífitas). Este estudio se centró en el cuenca alta del río Zamora, localizada al sur de Ecuador entre las coordenadas 3º 00´ 53” a 4º 20´ 24.65” de latitud sur y 79º 49´58” a 78º 35´ 38” de longitud oeste, que cubre alrededor de 4300 km2 de territorio situado entre las capitales de las provincias de Loja y Zamora-Chinchipe. Con objeto de predecir la dinámica futura de la deforestación en la región de Loja y cómo se verán afectados los diferentes tipos de hábitat, así como para detectar los factores que más influyen en dicha dinámica, se han construido modelos basados en la historia de la deforestación derivados de fotografías aéreas e imágenes satelitales de tres fechas (1976, 1989 y 2002). La cuantificación de la deforestación se realizó mediante la tasa de interés compuesto y para la caracterización de la configuración espacial de los fragmentos de bosque nativo se calcularon índices de paisaje los cuales fueron calculados utilizando el programa Fragstats 3.3. Se ha clasificado el recubrimiento del terreno en forestal y no forestal y se ha modelado su evolución temporal con Modelos Lineales Generalizados Mixtos (GLMM), empleando como variables explicativas tanto variables ambientales espacialmente explícitas (altitud, orientación, pendiente, etc) como antrópicas (distancia a zonas urbanizadas, deforestadas, caminos, entre otras). Para medir el efecto de la deforestación sobre las comunidades modelo (de árboles, líquenes y hepáticas) se monitorearon 11 fragmentos de vegetación de distinto tamaño: dos fragmentos de más de cien hectáreas, tres fragmentos de entre diez y noventa ha y seis fragmentos de menos de diez hectáreas. En ellos se instalaron un total de 38 transectos y 113 cuadrantes de 20 x 20 m a distancias que se alejaban progresivamente del borde en 10, 40 y 80 m. Nuestros resultados muestran una tasa media anual de deforestación del 1,16% para todo el período de estudio, que el tipo de vegetación que más alta tasa de destrucción ha sufrido, es el páramo herbáceo, con un 2,45% anual. El análisis de los patrones de fragmentación determinó un aumento en 2002 de más del doble de fragmentos presentes en 1976, lo cual se repite en el análisis del índice de densidad promedio. El índice de proximidad media entre fragmentos muestra una reducción progresiva de la continuidad de las áreas forestadas. Si bien las formas de los fragmentos se han mantenido bastante similares a lo largo del período de estudio, la conectividad entre estos ha disminuido en un 84%. Por otro lado, de nuestros análisis se desprende que las zonas con mayor probabilidad de deforestarse son aquellas que están cercanas a zonas previamente deforestadas; la cercanía a las vías también influye significativamente en la deforestación, causando un efecto directo en la composición y estructura de las comunidades estudiadas, que en el caso de los árboles viene mediado por el tamaño del fragmento y en el caso del componente epífito (hepáticas y líquenes), viene mediado tanto por el tamaño del fragmento como por la distancia al borde del mismo. Se concluye la posibilidad de que, de mantenerse esta tendencia, este tipo de bosques desaparecerá en corto tiempo y los servicios ecosistémicos que prestan, se verán seriamente comprometidos. ABSTRACT Mountain rainforests are recognized as one of the most threatened ecosystems in the world, and have even come to be considered as a “hotspot” due to their high degree of diversity and endemism. The accelerated loss of plant cover of these forests has caused them to be restricted today to a small fraction of their area of historic distribution. In spite of this, studies done on the effect of deforestation, fragmentation, changes in soil use and their effect on the plant communities present in this type of vegetation are very brief compared to those done on their analogues in the Amazon region. In this study, which is divided into six chapters, we will address the following objectives: a) To understand what the dynamic followed by the different types of Andean mountain forests in the Zamora River watershed of southern Ecuador has been between 1976 and 2002. b) To provide evidence of the rates of deforestation and fragmentation of all the different types of Andean mountain forests existing in the upper watershed of the Zamora River between 1976 and 2002. c) To determine the factors that induces fragmentation of all different types of Andean mountain forests existing in the upper watershed of the Zamora River between 1976 and 2002. d) To determine what the environmental and anthropogenic factors are driving the dynamic of deforestation and regeneration (loss and recuperation of the habitat) suffered by the mountain forests in the area of the study and e) To determine if the deforestation and fragmentation act upon the diversity and structure of three model communities: trees, epiphytic lichens and epiphytic liverworts. This study is centered on the upper Zamora River watershed, located in southern Ecuador between 3º 00´ 53” and 4º 20´ 24.65 south latitude and 79º 49´ 58” to 78º 35´ 38” west longitude, and covers around 4,300 km2 of territory located between Loja and Zamora-Chinchipe provinces. For the purpose of predicting the future dynamic of deforestation in the Loja region and how different types of habitats will be affected, as well as detecting the environmental and socioeconomic factors that influence landscape dynamics, models were constructed based on deforestation history, derived from aerial photographs and satellite images for three dates (1976, 1989 and 2002). Quantifying the deforestation was done using the compound interest rate; to characterize the spatial configuration of fragments of native forest, landscape indices were calculated with Fragstats 3.3 program. Land cover was classified as forested and not forested and its evolution over time was modeled with Generalized Linear Mixed Models (GLMM), using spatially explicit environmental variables (altitude, orientation, slope, etc.) as well as anthropic variables (distance to urbanized, deforested areas and roads, among others) as explanatory variables. To measure the effects of fragmentation on three types of model communities (forest trees and epiphytic lichen and liverworts), 11 vegetation fragments of different sizes were monitored: two fragments of more than one hundred hectares, three fragments of between ten and ninety ha and six fragments of fewer than ten hectares . In these fragments, a total of 38 transects and 113 20 x 20 m quadrats were installed at distances that progressively moved away from the edge of the fragment by 10, 40 and 80 m. Our results show an average annual rate of deforestation of 1.16% for the entire period of the study, and that the type of vegetation that suffered the highest rate of destruction was grassy paramo, with an annual rate of 2.45%. The analysis of fragmentation patterns determined the number of fragments in 2002 more than doubled the number of fragments present in 1976, and the same occurred for the average density index. The variation of the average proximity index among fragments showed a progressive reduction of the continuity of forested areas. Although fragment shapes have remained quite similar over the period of the study, connectivity among them has diminished by 84%. On the other hand, it emerged from our analysis that the areas of greatest probability of deforestation were those that are close to previously deforested areas; proximity to roads also significantly favored the deforestation causing a direct effect on the composition of our model communities, that in the case of forest trees is determined by the size of the fragment, and in the case of the epiphyte communities (liverworts and lichens), is determined, by the size of the fragment as well as the distance to edge. A subject under discussion is the possibility that if this tendency continues, this type of forest will disappear in a short time, and the ecological services it provides, will be seriously endangered.