Work Package II – Summary Results
Un prim obiectiv al acestei etape a fost acela de a realiza prototipul unui instrument inovativ de biopsie pentru bronhoscopie cu ghidaj electromagnetic, manevrabilitate si fibra optica CLE. Activitatea a avut ca scop finalizarea proiectului acestui instrument, precum si realizarea s-a fizica. S-au testat fizic mai multe variante de design, si s-au realizat mai multe componente ale acestui prototip pentru a se alege in final solutia optima pentru acest instrument complex. Aceasta activitate a fost sustinuta conform planificarii proiectului de catre partenerii CO si P1.
Avand in vedere necesitatea completarii experientei in realizarea instrumentelor de tip cateter/fir de ghidare la nivelul consortiului, s-a colaborat pentru finalizarea cu succes a acesti activitati cu doua laboratoare cu mare experienta din SUA, si anume Laboratory of Cardiac Energetics, Translational Medicine Branch, Division of Intramural Research, National Heart Lung and Blood Institute, National Institutes of Health, Washington, USA, si Laboratory of Biomedical Engineering, Cardiothoracic Surgery Research Program at National Heart, Lung and Blood Institute from National Institute of Health, Washington, U.S.A. In cadrul acestei colaborari au fost realizate mai multe tuburi multi-lumen cu structura interna metalica de tip tesatura, pentru a permite introducerea mutiplelor instrumente (ac, fibra optic, senzor electromagnetic) si a se permite indoirea si manevrarea capatului distal prin caile aeriene.
In urma testelor din cadrul Laboratorului de Inginerie Mecanica si Biomedicala al coordonatorului proiectului, Universitatea din Craiova, s-a ales solutia finala pentru acest instrument complex: un cateter cu 3 canale interioare, din PTFE, cu diametrul exterior de 2.5 mm si lungime de 1200 mm. Cateterul prezinta un canal de 1.2 mm, un canal de 0.7 mm si un canal de 0.5. Cateterul este fixat intr-un maner complex special conceput, care permite translatia axiala si curbarea varfului unui fir de ghidare manevrabil, care este instalat in canalul de 0.7 mm. Acest fir de ghidare are rolul de a rezolva functie de manipulare a cateterului, pentru a permite orientarea si alegerea unui anumit traseu prin caile pulmonare. Firul permite curbarea > 90 grade, pentru navigatia prin intersectiile complexe. In interiorul canalului de 0.5 este montat un senzor electromagnetic cu 5 grade de libertate cod 610099, produs de Northern Digital Inc. si care este utilizat de Navicad la stabilirea pozitie in spatiu a varfului cateterului cu ajutorul sistemul de tracking electromagnetic Aurora. Canalul cu diametru de 1.2 mm este utilizat pentru doua operatii: cea de biopsei optica, atunci cand prin el este introdus fibra optica Cellvizio Confocal Miniprobe AQ-Flex 19, de la Mauna Kea, sau ce de biopsie clasica atunci cand prin acest canal este introdus un ac/pensa de biopsie de 25G, special customizata in cadrul proiectului. Procedura de utilizare a acestui instrument implica introducerea lui prin canalul de lucru al bronhoscopului, ghidarea cu ajutorul senzorului si a sistemului Navicad catre locul unde se afla nodulul pulmonar, utilizand pentru selectarea cailor respiratorii in timpul navigatiei firul de ghidare inclus in instrument. Odata ajuns la locul investigatiei se va introduce in prima faza fibra optica pentru o prima analiza, pentru confirmarea tintei, si apoi se inlocuieste fibra optica cu pensa/acul de biopsie pentru a se prelua o proba din tesut. In cadrul raportului sunt prezentare o serie de poze cu prototipul in cele doua ipostaze de lucru, urmand ca in etapa urmatoare sa fie testat pe un model artificial si animal.
In cadrul etapei, a fost conceput in cadrul activitatii 2 si setul de specificatii, arhitectura si au fost implementate o parte din componentele unei aplicatii software, Navicad, folosita pentru bronhoscopie virtuala si pentru ghidajul electromagnetic al instrumentelor medicale intr-o procedura reala de bronhoscopie.
A fost dezvoltata o colectie de componente: NavicadVTKVisualizer (vizualizare a informatiilor medicale 2D / 3D intr-o scena bazata pe VTK / OpenGL), NavicadVTKDicom (incarcarea informatiilor medicale stocate in format Dicom), NavicadJPegStackReader (incarcarea unui set de imagini 2D stocate in format jpeg), NavicadVTKVolumeProperties (controleaza modul in care sunt reprezentate imaginile 3D), NavicadVirtualNavigation (navigatie virtuala cu ajutorul mouse-ului intr-o imagine 3D a plamanilor si a cailor respiratorii), NavicadCXDataConnection (conexiunea intre modelul de date Navicad si CustusX), NavicadTests („zona” de dezvoltare si testare a algoritmilor noi, inaintea integrarii intr-o forma stabila in aplicatia Navicad).
Metodele si algoritmii dezvoltati si implementati in Navicad sunt:
Navigatia virtuala bazata pe miscari ale mouse-ului transformate in translatii si rotatii ale camerei prin care este privita scena virtuala (calculele geometrice legate de rotatii sunt bazate pe quaternioni)
Functii de transfer – un control integrat in interfata grafica ce permite „desenarea” si modificarea rapida a functiilor de transfer (legatura intre seturile de date 3D inregistrate de instrumentele medicale si reprezentarea vizuala volumetrica a acestora)
Generator de date – un algoritm care genereaza un camp scalar cu simetria unui model teoretic simplificat al arborelui cailor respiratorii
Segmentarea in doua faze a zonei plamanilor si a cailor respiratorii (indepartarea din imaginea 3D a zonelor „lipsite” de interes, urmata de extragerea suprafetei cailor respiratorii)
Ghidajul electromagnetic bazat pe un senzor de referinta plasat in exteriorul pacientului si senzori atasati instrumentelor medicale folosite in procedura reala (selectia si conexiunea cu senzorii, alinierea dintre senzorul de referinta si scena virtuala, reprezentarea instrumentelor medicale in scena virtuala in timpul procedurii reale).
In scopul dezvoltarii si testarii modulului software CAD dezvoltat, concept sub platforma Matlab in cadrul activitatii 3, s-au realizat o serie de achizitii de date imagistice de la Spitalul de Urgenta din Craiova. Modulul diagnostic al aplicației se bazeaza pe stocarea în timp real a imaginilor provenite din pCLE intr-o bază de date securizată, printr-o interfață software care ofera de asemenea acces la modulele de prelucrare de imagine. Componenta decizională a aplicației, bazată pe rețele neuronale artificiale (ANN – artificial neural network) comunica cu baza de date, în care sunt stocate în format numeric rezultatele obținute în urma prelucrării imaginilor. Interfața va primi rezultatul deziei luate de ansamblul ANN.
Prelucrarea imaginilor cuprinde in cazul modulului de CAD (computer aided diagnosis) dezvoltat in proiectul NAVICAD, obtinerea unei serii de 7 parametrii pentru fiecare imagine: dimensiunea fractala, lacunaritatea, contrast, corelatie, energie, omogeneitatea, si cel de-al 7-lea parametru pentru identificarea numarului de elemente de o anumita forma si dimensiune determinat printr-un alt algoritm complex. In primul pas al acestei componente am implementat o functie de nivelare de tip Gaussian care aplicata imaginii va reduce o parte din zgomot, avand ca rezultat conversia intr-o imagine binara pe baza unei valori de prag. Conturul entitatilor anatomice precum nucleii celulelor pulmonare au fost indentificati si numarati prin utilizarea algoritmului Marching Square urmat de o interpolare liniara prin care raportul arie/perimetru este calculat pentru aceste entitati ca si masura a circularitatii lor. Entitatile cu un raport peste o valoare determinata experimental au fost contorizate pentru fiecare imagine. Am capturat o serie de 200 de imagini pentru fiecare tumoră pulmonară, respectiv 200 pentru țesutul parenchimatos adiacent studiat. S-a obtinut astfel ca eroare de diagnostic a modului pana in prezent, o valoare de 16.23%.