Automatic generation of real-time deformable parametric model of the aorta for a VR-based catheterism guidance system

The purpose of this work is twofold: first, to develop a process to automatically create parametric models of the aorta that can adapt to any possible intraoperative deformation of the vessel. Second, it intends to provide the tools needed to perform this deformation in real time, by means of a non-rigid registration method. This dynamically deformable model will later be used in a VR-based surgery guidance system for aortic catheterism procedures, showing the vessel changes in real time.

E-MIS validity applied to TELMA enhanced learning environment

Enhanced learning environments are arising with great success within the field of cognitive skills training in minimally invasive surgery (MIS) because they provides multiple benefits since they avoid time, spatial and cost constraints. TELMA [1,2] is a new technology enhanced learning platform that promotes collaborative and ubiquitous training of surgeons. This platform is based on four main modules: an authoring tool, a learning content and knowledge management system, an evaluation module and a professional network. TELMA has been designed and developed focused on the user; therefore it is necessary to carry out a user validation as final stage of the development. For this purpose, e-MIS validity [3] has been defined. This validation includes usability, contents and functionality validities both for the development and production stages of any e-Learning web platform. Using e-MIS validity, the e-Learning is fully validated since it includes subjective and objective metrics. The purpose of this study is to specify and apply a set of objective and subjective metrics using e-MIS validity to test usability, contents and functionality of TELMA environment within the development stage.

Technical evaluation of a third generation optical pose tracker for motion analysis and image-guided surgery

Laparoscopic instrument tracking systems are an essential component in image-guided interventions and offer new possibilities to improve and automate objective assessment methods of surgical skills. In this study we present our system design to apply a third generation optical pose tracker (Micron- Tracker®) to laparoscopic practice. A technical evaluation of this design is performed in order to analyze its accuracy in computing the laparoscopic instrument tip position. Results show a stable fluctuation error over the entire analyzed workspace. The relative position errors are 1.776±1.675 mm, 1.817±1.762 mm, 1.854±1.740 mm, 2.455±2.164 mm, 2.545±2.496 mm, 2.764±2.342 mm, 2.512±2.493 mm for distances of 50, 100, 150, 200, 250, 300, and 350 mm, respectively. The accumulated distance error increases with the measured distance. The instrument inclination covered by the system is high, from 90 to 7.5 degrees. The system reports a low positional accuracy for the instrument tip.

Integración de dispositivos de salud personal en la plataforma de telecuidado para diabetes PERSONA

La plataforma de telecuidado PERSONA se ha desarrollado en el marco del CIBER-BBN y tiene por objetivo soportar el autocuidado diario de pacientes con diabetes tipo 1. La plataforma proporciona acceso a herramientas de soporte a la decisión, de procesado automático de la información, de monitorización de las variables que afectan a la enfermedad y facilita la comunicación entre los agentes involucrados en el cuidado del paciente. La integración de dispositivos médicos interoperables es un requisito principal de la plataforma PERSONA. En este trabajo presentamos las soluciones adoptadas en cuanto a la integración de dispositivos médicos y analizamos las características de los protocolos de comunicación inalámbrica de los dispositivos considerados y los recursos necesarios para la comunicación con dispositivos móviles de telefonía.

Clasificación de sujetos según el control motor de la extremidad superior en Neurorrehabilitación Funcional

El presente trabajo propone la aplicación de las redes neuronales artificiales (RNA) en la comparación del movimiento de la extremidad superior entre sujetos con Daño Cerebral Adquirido y sujetos sanos. La finalidad de esta comparación es clasificar a los sujetos según su control motor para posteriormente emitir una valoración funcional del movimiento como parte de un método de evaluación objetiva en neurorrehabiliatación funcional de extremidad superior. Para realizar esta comparación se propone un método en el que se aplica un pre-procesado a los datos usando análisis de componentes principales (ACP) para reducir la dimensión de los mismos y entrenar la red. Fueron evaluadas diferentes estructuras de redes. El resultado obtenido con el método propuesto fue de un 95.65% de exactitud en la clasificación. Este resultado permite certificar el uso de las RNAs como una opción viable para la evaluación disfuncional del movimiento de sujetos sanos y con DCA. Esta investigación puede ser considerada como un estudio piloto para investigaciones en mayor profundidad que corroboren estos resultados.

Utilidad del vídeo quirúrgico en las cirugías de mínima invasión

El vídeo quirúrgico es la principal fuente de información intraoperatoria para el seguimiento de la intervención quirúrgica. Actualmente, su uso como medio de análisis no se halla implantado. Este trabajo presenta su utilidad con casos de uso reales que explotan la información presente en los vídeos a través del procesamiento de los vídeos. Los algoritmos desarrollados permiten la segmentación y seguimiento de los elementos de la escena, la reconstrucción y la localización espacial de los trócares. Se presenta a modo de ejemplos un entorno de formación y un sistema de navegación quirúrgica que explotan la información presente en los vídeos captados por el endoscopio.

Comparación de algoritmos detectores de puntos singulares para reconocimiento de objetos en vídeo quirúrgico.

El análisis de vídeo laparoscópico ofrece nuevas posibilidades a la navegación quirúrgica al garantizar una incorporación mínima de tecnología en quirófano, evitando así alterar la ergonomía y los flujos de trabajo de las intervenciones. Una de sus principales ventajas es que puede servir como fuente de datos para reconstruir tridimensionalmente la escena laparoscópica, lo que permite dotar al cirujano de la sensación de profundidad perdida en este tipo de cirugía. En el presente trabajo de investigación se comparan dos detectores de puntos singulares, SIFT y SURF, para estimar cuál de los dos podría integrarse en un algoritmo de cálculo de coordenadas 3D, MonoSLAM, basado en la detección y el seguimiento de estos puntos singulares en los fotogramas del vídeo. Los resultados obtenidos posicionan a SURF como la mejor opción gracias a su rapidez y a su mayor capacidad de discriminación entre estructuras anatómicas e instrumental quirúrgico.

Adaptive neuro-fuzzy inference systems (ANFIS) for supervised classification of competence in MIS based on psychomotor skills

INTRODUCTION: Objective assessment of motor skills has become an important challenge in minimally invasive surgery (MIS) training.Currently, there is no gold standard defining and determining the residents' surgical competence.To aid in the decision process, we analyze the validity of a supervised classifier to determine the degree of MIS competence based on assessment of psychomotor skills METHODOLOGY: The ANFIS is trained to classify performance in a box trainer peg transfer task performed by two groups (expert/non expert). There were 42 participants included in the study: the non-expert group consisted of 16 medical students and 8 residents (< 10 MIS procedures performed), whereas the expert group consisted of 14 residents (> 10 MIS procedures performed) and 4 experienced surgeons. Instrument movements were captured by means of the Endoscopic Video Analysis (EVA) tracking system. Nine motion analysis parameters (MAPs) were analyzed, including time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area, economy of volume, idle time and motion smoothness. Data reduction was performed by means of principal component analysis, and then used to train the ANFIS net. Performance was measured by leave one out cross validation. RESULTS: The ANFIS presented an accuracy of 80.95%, where 13 experts and 21 non-experts were correctly classified. Total root mean square error was 0.88, while the area under the classifiers' ROC curve (AUC) was measured at 0.81. DISCUSSION: We have shown the usefulness of ANFIS for classification of MIS competence in a simple box trainer exercise. The main advantage of using ANFIS resides in its continuous output, which allows fine discrimination of surgical competence. There are, however, challenges that must be taken into account when considering use of ANFIS (e.g. training time, architecture modeling). Despite this, we have shown discriminative power of ANFIS for a low-difficulty box trainer task, regardless of the individual significances between MAPs. Future studies are required to confirm the findings, inclusion of new tasks, conditions and sample population.

Algoritmo de control anticipatorio assisted-as-needed para neurorrehabilitación funcional de extremidad superior

Los dispositivos robóticos se están convirtiendo en una alternativa muy extendida a las terapias de neurorrehabilitación funcional tradicionales al ofrecer una práctica más intensiva sin incrementar el tiempo empleado en la supervisión por parte de los terapeutas especialistas. Por ello, este trabajo de investigación propone un algoritmo de control anticipatorio que, bajo el paradigma 'assisted-as-needed', proporcione a una ortesis robótica las capacidades de actuación necesarias para comportarse tal y como lo haría un terapeuta que proporciona una sesión de terapia manual. Dicho algoritmo de control ha sido validado mediante un simulador robótico obteniéndose resultados que demuestran su eficacia.

Mejoras en el procesamiento de imágenes de TC para el tratamiento con radioterapia adaptativa del cáncer de próstata

El cáncer de próstata es el tipo de cáncer con mayor prevalencia entre los hombres del mundo occidental y, pese a tener una alta tasa de supervivencia relativa, es la segunda mayor causa de muerte por cáncer en este sector de la población. El tratamiento de elección frente al cáncer de próstata es, en la mayoría de los casos, la radioterapia externa. Las técnicas más modernas de radioterapia externa, como la radioterapia modulada en intensidad, permiten incrementar la dosis en el tumor mientras se reduce la dosis en el tejido sano. Sin embargo, la localización del volumen objetivo varía con el día de tratamiento, y se requieren movimientos muy pequeños de los órganos para sacar partes del volumen objetivo fuera de la región terapéutica, o para introducir tejidos sanos críticos dentro. Para evitar esto se han desarrollado técnicas más avanzadas, como la radioterapia guiada por imagen, que se define por un manejo más preciso de los movimientos internos mediante una adaptación de la planificación del tratamiento basada en la información anatómica obtenida de imágenes de tomografía computarizada (TC) previas a la sesión terapéutica. Además, la radioterapia adaptativa añade la información dosimétrica de las fracciones previas a la información anatómica. Uno de los fundamentos de la radioterapia adaptativa es el registro deformable de imágenes, de gran utilidad a la hora de modelar los desplazamientos y deformaciones de los órganos internos. Sin embargo, su utilización conlleva nuevos retos científico-tecnológicos en el procesamiento de imágenes, principalmente asociados a la variabilidad de los órganos, tanto en localización como en apariencia. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar los procesos clínicos de delineación automática de contornos y de cálculo de dosis acumulada para la planificación y monitorización de tratamientos con radioterapia adaptativa, a partir de nuevos métodos de procesamiento de imágenes de TC (1) en presencia de contrastes variables, y (2) cambios de apariencia del recto. Además, se pretende (3) proveer de herramientas para la evaluación de la calidad de los contornos obtenidos en el caso del gross tumor volumen (GTV). Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son las siguientes: _ 1. La adaptación, implementación y evaluación de un algoritmo de registro basado en el flujo óptico de la fase de la imagen como herramienta para el cálculo de transformaciones no-rígidas en presencia de cambios de intensidad, y su aplicabilidad a tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata con uso de agentes de contraste radiológico. Los resultados demuestran que el algoritmo seleccionado presenta mejores resultados cualitativos en presencia de contraste radiológico en la vejiga, y no distorsiona la imagen forzando deformaciones poco realistas. 2. La definición, desarrollo y validación de un nuevo método de enmascaramiento de los contenidos del recto (MER), y la evaluación de su influencia en el procedimiento de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Las segmentaciones obtenidas mediante el MER para la creación de máscaras homogéneas en las imágenes de sesión permiten mejorar sensiblemente los resultados de los algoritmos de registro en la región rectal. Así, el uso de la metodología propuesta incrementa el índice de volumen solapado entre los contornos manuales y automáticos del recto hasta un valor del 89%, cercano a los resultados obtenidos usando máscaras manuales para el registro de las dos imágenes. De esta manera se pueden corregir tanto el cálculo de los nuevos contornos como el cálculo de la dosis acumulada. 3. La definición de una metodología de evaluación de la calidad de los contornos del GTV, que permite la representación de la distribución espacial del error, adaptándola a volúmenes no-convexos como el formado por la próstata y las vesículas seminales. Dicha metodología de evaluación, basada en un nuevo algoritmo de reconstrucción tridimensional y una nueva métrica de cuantificación, presenta resultados precisos con una gran resolución espacial en un tiempo despreciable frente al tiempo de registro. Esta nueva metodología puede ser una herramienta útil para la comparación de distintos algoritmos de registro deformable orientados a la radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como cimiento de futuros avances en el procesamiento de imagen médica en los tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Asimismo, se siguen abriendo nuevas líneas de aplicación futura de métodos de procesamiento de imágenes médicas con el fin de mejorar los procesos de radioterapia adaptativa en presencia de cambios de apariencia de los órganos, e incrementar la seguridad del paciente. I.2 Inglés Prostate cancer is the most prevalent cancer amongst men in the Western world and, despite having a relatively high survival rate, is the second leading cause of cancer death in this sector of the population. The treatment of choice against prostate cancer is, in most cases, external beam radiation therapy. The most modern techniques of external radiotherapy, as intensity modulated radiotherapy, allow increasing the dose to the tumor whilst reducing the dose to healthy tissue. However, the location of the target volume varies with the day of treatment, and very small movements of the organs are required to pull out parts of the target volume outside the therapeutic region, or to introduce critical healthy tissues inside. Advanced techniques, such as the image-guided radiotherapy (IGRT), have been developed to avoid this. IGRT is defined by more precise handling of internal movements by adapting treatment planning based on the anatomical information obtained from computed tomography (CT) images prior to the therapy session. Moreover, the adaptive radiotherapy adds dosimetric information of previous fractions to the anatomical information. One of the fundamentals of adaptive radiotherapy is deformable image registration, very useful when modeling the displacements and deformations of the internal organs. However, its use brings new scientific and technological challenges in image processing, mainly associated to the variability of the organs, both in location and appearance. The aim of this thesis is to improve clinical processes of automatic contour delineation and cumulative dose calculation for planning and monitoring of adaptive radiotherapy treatments, based on new methods of CT image processing (1) in the presence of varying contrasts, and (2) rectum appearance changes. It also aims (3) to provide tools for assessing the quality of contours obtained in the case of gross tumor volume (GTV). The main contributions of this PhD thesis are as follows: 1. The adaptation, implementation and evaluation of a registration algorithm based on the optical flow of the image phase as a tool for the calculation of non-rigid transformations in the presence of intensity changes, and its applicability to adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer with use of radiological contrast agents. The results demonstrate that the selected algorithm shows better qualitative results in the presence of radiological contrast agents in the urinary bladder, and does not distort the image forcing unrealistic deformations. 2. The definition, development and validation of a new method for masking the contents of the rectum (MER, Spanish acronym), and assessing their impact on the process of adaptive radiotherapy in prostate cancer. The segmentations obtained by the MER for the creation of homogenous masks in the session CT images can improve significantly the results of registration algorithms in the rectal region. Thus, the use of the proposed methodology increases the volume overlap index between manual and automatic contours of the rectum to a value of 89%, close to the results obtained using manual masks for both images. In this way, both the calculation of new contours and the calculation of the accumulated dose can be corrected. 3. The definition of a methodology for assessing the quality of the contours of the GTV, which allows the representation of the spatial distribution of the error, adapting it to non-convex volumes such as that formed by the prostate and seminal vesicles. Said evaluation methodology, based on a new three-dimensional reconstruction algorithm and a new quantification metric, presents accurate results with high spatial resolution in a time negligible compared to the registration time. This new approach may be a useful tool to compare different deformable registration algorithms oriented to adaptive radiotherapy in prostate cancer In conclusion, this PhD thesis corroborates the postulated research hypotheses, and is intended to serve as a foundation for future advances in medical image processing in adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer. In addition, it opens new future applications for medical image processing methods aimed at improving the adaptive radiotherapy processes in the presence of organ’s appearance changes, and increase the patient safety.

PREDIRCAM eHealth platform for individualized telemedical assistance for lifestyle modification in the treatment of obesity, diabetes, and cardiometabolic risk prevention: a pilot study (PREDIRCAM 1)

Background: Healthy diet and regular physical activity are powerful tools in reducing diabetes and cardiometabolic risk. Various international scientific and health organizations have advocated the use of new technologies to solve these problems. The PREDIRCAM project explores the contribution that a technological system could offer for the continuous monitoring of lifestyle habits and individualized treatment of obesity as well as cardiometabolic risk prevention. Methods: PREDIRCAM is a technological platform for patients and professionals designed to improve the effectiveness of lifestyle behavior modifications through the intensive use of the latest information and communication technologies. The platform consists of a web-based application providing communication interface with monitoring devices of physiological variables, application for monitoring dietary intake, ad hoc electronic medical records, different communication channels, and an intelligent notification system. A 2-week feasibility study was conducted in 15 volunteers to assess the viability of the platform. Results: The website received 244 visits (average time/session: 17 min 45 s). A total of 435 dietary intakes were recorded (average time for each intake registration, 4 min 42 s ± 2 min 30 s), 59 exercises were recorded in 20 heart rate monitor downloads, 43 topics were discussed through a forum, and 11 of the 15 volunteers expressed a favorable opinion toward the platform. Food intake recording was reported as the most laborious task. Ten of the volunteers considered long-term use of the platform to be feasible. Conclusions: The PREDIRCAM platform is technically ready for clinical evaluation. Training is required to use the platform and, in particular, for registration of dietary food intake.

Automatic segmentation of abdominal aortic aneurysm from medical images based on active shape models and texture models

A semi-automatic segmentation algorithm for abdominal aortic aneurysms (AAA), and based on Active Shape Models (ASM) and texture models, is presented in this work. The texture information is provided by a set of four 3D magnetic resonance (MR) images, composed of axial slices of the abdomen, where lumen, wall and intraluminal thrombus (ILT) are visible. Due to the reduced number of images in the MRI training set, an ASM and a custom texture model based on border intensity statistics are constructed. For the same reason the shape is characterized from 35-computed tomography angiography (CTA) images set so the shape variations are better represented. For the evaluation, leave-one-out experiments have been held over the four MRI set.

Artificial pancreas using a personalized rule-based controller achieves overnight normoglycemia in patients with type 1 diabetes

Objective: This study assessed the efficacy of a closed-loop (CL) system consisting of a predictive rule-based algorithm (pRBA) on achieving nocturnal and postprandial normoglycemia in patients with type 1 diabetes mellitus (T1DM). The algorithm is personalized for each patient’s data using two different strategies to control nocturnal and postprandial periods. Research Design and Methods: We performed a randomized crossover clinical study in which 10 T1DM patients treated with continuous subcutaneous insulin infusion (CSII) spent two nonconsecutive nights in the research facility: one with their usual CSII pattern (open-loop [OL]) and one controlled by the pRBA (CL). The CL period lasted from 10 p.m. to 10 a.m., including overnight control, and control of breakfast. Venous samples for blood glucose (BG) measurement were collected every 20 min. Results: Time spent in normoglycemia (BG, 3.9–8.0 mmol/L) during the nocturnal period (12 a.m.–8 a.m.), expressed as median (interquartile range), increased from 66.6% (8.3–75%) with OL to 95.8% (73–100%) using the CL algorithm (P<0.05). Median time in hypoglycemia (BG, <3.9 mmol/L) was reduced from 4.2% (0–21%) in the OL night to 0.0% (0.0–0.0%) in the CL night (P<0.05). Nine hypoglycemic events (<3.9 mmol/L) were recorded with OL compared with one using CL. The postprandial glycemic excursion was not lower when the CL system was used in comparison with conventional preprandial bolus: time in target (3.9–10.0 mmol/L) 58.3% (29.1–87.5%) versus 50.0% (50–100%). Conclusions: A highly precise personalized pRBA obtains nocturnal normoglycemia, without significant hypoglycemia, in T1DM patients. There appears to be no clear benefit of CL over prandial bolus on the postprandial glycemia

Utilidad de un sistema de seguimiento óptico de instrumental en cirugía laparoscópica para evaluación de destrezas motoras

En este trabajo se estudia la utilidad de un sistema de evaluación de destrezas quirúrgicas basado en el análisis de los movimientos del instrumental laparoscópico. Método: El sistema consta de un simulador físico laparoscópico y un sistema de seguimiento y evaluación de habilidades técnicas quirúrgicas. En el estudio han participado 6 cirujanos con experiencia intermedia (entre 1 y 50 intervenciones laparoscópicas) y 5 cirujanos expertos (más de 50 intervenciones laparoscópicas), todos ellos con la mano derecha como dominante. Cada sujeto realizó 3 repeticiones de una tarea de corte con la mano derecha en tejido sintético, una disección de la serosa gástrica y una sutura en la disección realizada. Para cada ejercicio se analizaron los parámetros de tiempo, distancia recorrida, velocidad, aceleración y suavidad de movimientos para los instrumentos de ambas manos. Resultados: En la tarea de corte, los cirujanos expertos muestran menor aceleración (p = 0,014) y mayor suavidad en los movimientos (p = 0,023) en el uso de la tijera. Respecto a la actividad de disección, los cirujanos expertos requieren menos tiempo (p = 0,006) y recorren menos distancia con ambos instrumentos (p = 0,006 para disector y p = 0,01 para tijera). En la tarea de sutura, los cirujanos expertos presentan menor tiempo de ejecución que los cirujanos de nivel intermedio (p = 0,037) y recorren menos distancia con el disector (p = 0,041). Conclusiones: El sistema de evaluación se mostró útil en las tareas de corte, disección y sutura, y constituye un progreso en el desarrollo de sistemas avanzados de entrenamiento y evaluación de destrezas quirúrgicas laparoscópicas.

Systems and technologies for objective evaluation of technical skills in laparoscopic surgery

Minimally invasive surgery is a highly demanding surgical approach regarding technical requirements for the surgeon, who must be trained in order to perform a safe surgical intervention. Traditional surgical education in minimally invasive surgery is commonly based on subjective criteria to quantify and evaluate surgical abilities, which could be potentially unsafe for the patient. Authors, surgeons and associations are increasingly demanding the development of more objective assessment tools that can accredit surgeons as technically competent. This paper describes the state of the art in objective assessment methods of surgical skills. It gives an overview on assessment systems based on structured checklists and rating scales, surgical simulators, and instrument motion analysis. As a future work, an objective and automatic assessment method of surgical skills should be standardized as a means towards proficiency-based curricula for training in laparoscopic surgery and its certification.