WO2013171356A1 - Procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual - Google Patents

Procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual Download PDF

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WO2013171356A1
WO2013171356A1 PCT/ES2013/070306 ES2013070306W WO2013171356A1 WO 2013171356 A1 WO2013171356 A1 WO 2013171356A1 ES 2013070306 W ES2013070306 W ES 2013070306W WO 2013171356 A1 WO2013171356 A1 WO 2013171356A1
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WO
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bronchoscope
movement
tip
candidate
rotation
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PCT/ES2013/070306
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Joan ROSELL GRATACÒS
Paolo Cabras
Alexander PÉREZ RUIZ
Antoni ROSELL GRATACÒS
Original Assignee
Universitat Politècnica De Catalunya
Fundació Institut D'investigació Biomèdica De Bellvitge (Idibell)
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Publication date
Application filed by Universitat Politècnica De Catalunya, Fundació Institut D'investigació Biomèdica De Bellvitge (Idibell) filed Critical Universitat Politècnica De Catalunya
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    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16B—BIOINFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR GENETIC OR PROTEIN-RELATED DATA PROCESSING IN COMPUTATIONAL MOLECULAR BIOLOGY
    • G16B5/00—ICT specially adapted for modelling or simulations in systems biology, e.g. gene-regulatory networks, protein interaction networks or metabolic networks
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/10—Constructive solid geometry [CSG] using solid primitives, e.g. cylinders, cubes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2210/00—Indexing scheme for image generation or computer graphics
    • G06T2210/41—Medical

Definitions

  • the present invention relates to a method of generating a path for a virtual bronchoscopy taking into account a certain three-dimensional model of a tracheobronchial tree and a certain three-dimensional model of a bronchoscope.
  • the present invention also relates to a computer program and a system suitable for carrying out this method of generating a path for a virtual bronchoscopy.
  • lung cancer normally requires bronchoscopy for biopsy of lesions identified by chest radiographs or chest CT scans, although in the case of small peripheral lung lesions, percutaneous needle aspiration cytology or biopsy can be used.
  • These techniques have a high success rate but present a certain risk of pneumothorax, among other disadvantages. Therefore, transbronchial biopsies using ultra-thin bronchoscopes are proving to be a good alternative since these bronchoscopes can be inserted under direct vision into more peripheral bronchial tubes than traditional bronchoscopes.
  • the identification of the paths through accessible bronchi to reach small lung lesions is, however, complex during a limited exploration time, and therefore the application of virtual bronchoscopies can be of great help [N.
  • a virtual bronchoscopy is a computer-generated three-dimensional reconstruction technique that allows doctors or healthcare personnel to explore the tracheo-bronchial tree to help locate the diseased area (for example by making the virtual bronchial tube semi-transparent in order that the lymph node is visible), evaluate if it is necessary to perform the real bronchoscopy and automatically plan a route within the three-dimensional model [J. Ferguson and G. McLennan, "Virtual bronchoscopy," Proceedings of American Thoracic Society, vol. 2, pp. 488-491, 2005].
  • One of the weak points of the current virtual bronchoscopy systems is that they only offer the possibility of scanning through a camera that passes through pre-calculated points, which is controlled by a keyboard or mouse, so that geometric limitations and kinematics of the bronchoscope are ignored. Consequently, on the one hand there is no correspondence between the actual movements that the doctor would perform with a real bronchoscope, and on the other hand no information is provided on whether a peripheral lesion can be effectively achieved with a certain bronchoscope, or on what would be the closest point to that injury that can be reached.
  • a bronchoscope (or videobronchoscope) is a long, thin and flexible tube attached to a CCD camera.
  • the movement of the camera attached to the tip of the bronchoscope has three degrees of freedom (the rotation around the axis of the tube, the advance along the tube and the flexion of the tip) and is affected by non-holonomic restrictions. Similar restrictions of movement are found in the planning of highly flexible needle movements and beveled tips that move along curved paths in the tissue when a forward thrust force is applied.
  • Lobaton et al. SPE Lobaton, J. Zhang and R. Alterovitz, "Planning curvature constrained paths to multiple goals using circle sampling," in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Aut., 2011, pp.
  • the invention provides a method of generating a path for a virtual bronchoscopy, which comprises generating a three-dimensional model of a tracheobronchial tree and generating a three-dimensional model of a bronchoscope.
  • the three-dimensional model of the tracheo-bronchial tree comprises a representation of the walls of the tracheo-bronchial tree and a representation of a target area.
  • the three-dimensional model of the bronchoscope comprises a representation of a tip of a bronchoscope sight tube through a kinematic chain of rigid bodies with predefined dimensions and connected to each other by joints of a degree of freedom of rotation.
  • the rigid bodies comprise at least one base body that represents the base of the tip and a sight body that represents the sight end of the tip.
  • the rotation of the joints, except that of the base body, represents a movement of flexion of the tip.
  • the method further comprises calculating a sequence of travel sections of the kinematic chain that lead the viewer body towards the target area without any of the chain bodies exceeding the walls of the tracheobronchial tree. Each displacement section is calculated by applying at least one rotation value of the chain joints and one forward movement of the chain once said rotation value has been applied.
  • the tip of the bronchoscope sight tube allows a determination of routes of said tip to achieve a certain objective much more realistic than in currently known systems .
  • the process may take into account that the rotation of the joints, except for that of the base body, is limited to predefined maximum and minimum angles of rotation of the joints. Limiting the range of values of these joints allows the movements of the kinematic chain that models the tip of the bronchoscope to more closely resemble those of the tip of the real bronchoscope.
  • each calculation of each travel segment of the kinematic chain may comprise determining a set of candidate travel segments, each candidate travel segment being calculated by applying at least one candidate rotation value of the chain joints and a candidate movement forward of the chain once said rotation candidate value has been applied.
  • Each calculation of each displacement section may also include calculating a cost associated with each of the candidate displacement sections from the calculation of a cost related to the reduction of the distance between the sight body and the target area that would produce said segment of candidate displacement, said relative cost being lower the greater said reduction.
  • each calculation of each displacement segment may also comprise determining the lowest of said calculated costs associated with the candidate displacement sections, and selecting the candidate displacement segment associated with said lower calculated cost.
  • the morphology of the tracheobronchial tree allows the use of local movement planning techniques (in which the best movement to be performed from any configuration depends on said configuration and its immediate environment), which are fast and effective in environments where they can hardly be give local minimum situations.
  • the selection of the displacement section that further reduces the distance from the sight end of the tip to the target zone, ensures that the total travel from the initial configuration to said target zone is minimal.
  • calculating the cost associated with each of the candidate travel sections may further comprise calculating a cost relative to the increase in the distance between the sight body and the walls of the tracheobronchial tree that would produce said stretch of candidate displacement, said relative cost being lower the greater said increase.
  • the calculation of each candidate travel segment may further comprise, before the application of the forward movement candidate, the application of a candidate movement of rotation of the base body with respect to a longitudinal axis of this base body, said rotation of the base body representing a torsion movement of the tip.
  • calculating the cost associated with each of the candidate travel sections may further comprise calculating a cost relative to the candidate movement of rotation of the base body, said relative cost being lower the lower said absolute value rotation and with respect to preceding movement.
  • the process may take into account that the rotation of the base body is limited to predefined maximum and minimum angles of rotation of the base body. Limiting the range of values of the rotation of the base body (torsion of the tip) allows the movements of the kinematic chain that models the tip of the bronchoscope to more closely resemble those of the tip of the real bronchoscope.
  • calculating the cost associated with each of the candidate travel sections may further comprise calculating a cost relative to the increase in the centrality of the sight body with respect to the substantially tubular cavity formed by the walls of the tracheobronchial tree, being lower said relative cost the higher said increase.
  • calculating the cost associated with each of the candidate travel sections may further comprise calculating a relative cost based on an estimated elasticity and / or density indicator for the trache-bronchial tree walls, being lower said relative cost the higher said indicator of elasticity and / or estimated density.
  • This indicator may also be referred to as "degree of pulmonary deformity" and may also reflect the degree of elasticity and / or density of the parenchyma adjacent to the tracheo-bronchial walls.
  • the indicator of the degree of pulmonary deformity can be obtained from various known techniques.
  • the density can be estimated by means of topographic density calculations from, for example, computed tomography (CT) of the chest.
  • CT computed tomography
  • the elasticity can be estimated, for example, through functional respiratory tests. Examples of respiratory functional tests are: forced spirometry, flow-volume curve, lung volumes by plethysmography, etc.
  • the indicator of the degree of pulmonary deformity could be, for example, a value between T and '3', in which T could represent a low degree of pulmonary deformity, '2' a mean pulmonary deformity degree, and '3' a degree of high pulmonary deformity. The expert will appreciate, however, that other implementations of this indicator are possible.
  • This proposed cost based on the indicator of the degree of pulmonary deformity gives greater versatility and reliability to the procedure. For example, there may be situations in which it is estimated that the passage of the bronchoscope through a certain area of the tracheobronchial tree is very tight. However, the bronchoscope step could be considered viable if this area has a very high elasticity. On the other hand, if the elasticity is low, it could be considered that the passage of the bronchoscope through this area is not possible, in which case this path could be ruled out.
  • each relative cost can have an associated weight, which, preferably, can be parameterizable.
  • calculating the cost associated with each of the candidate travel sections may further comprise applying their associated weight to each relative cost. The consideration of these weights allows modulating the contribution of each cost.
  • the weight of the cost associated with the distance to the objective can be the main one to guide the route towards its goal, allowing the remaining weights to improve its quality.
  • the parameterization of the value of the weights will allow its adjustment according to the characteristics of the bronchoscope used.
  • the weight associated with the cost relative to the degree of pulmonary deformity may depend totally or in part on some other cost. For example, if the cost relative to the distance between the sight body and the tracheo-bronchial walls is low, it may not make sense to consider the degree of pulmonary deformity in the area. That is, if it is estimated that the passage of the bronchoscope is loose, the weight relative to the degree of pulmonary deformity could be very low or even zero. On the other hand, if the bronchoscope passage is considered to be (very) adjusted, the weight relative to the degree of deformity Pulmonary can be (very) high, since the viability of the bronchoscope passage will depend largely on the degree of pulmonary deformity estimated in this area.
  • each calculation of each displacement section of the kinematic chain may further comprise reducing the selected candidate displacement segment by discarding a final part of the section.
  • the final route is the concatenation of displacement sections (the next section is selected from the final position of the current section).
  • the reduction of the selected displacement section allows the next section to be calculated from a position closer to the previous one, which allows a better adaptation to the environment, while not affecting the initial distance used for the section selection, which allows the tip "look" beyond the step that will finally take place. It has been proven experimentally that this reduction of the initially proposed sections allows to obtain better paths of the tip of the bronchoscope.
  • the final part of the discarded section is a predefined percentage of the section, which can be around 20% (for example 5mm and 1mm).
  • determining the set of candidate displacement sections comprises, for each of said candidate displacement sections, verifying whether the candidate displacement segment causes at least one collision of the kinematic chain with any of the walls of the tracheal tree.
  • bronchial and perform, for each collision detected, a dynamic simulation of the collision and adjust the candidate displacement section according to the result of this simulation.
  • the flexed tip adapts to the walls of the bronchial tubes, that is, although the sight end of the bronchoscope tip must follow a path free of collisions and centered to the maximum, the rest of the bodies of The tip can collide and lean on the walls to move towards the target.
  • the dynamic simulation of this collision can be performed by using the OPEN DYNAMICS ENGINE (ODE) library, the which is widely used in the dynamic simulation of rigid body chains, so it could be suitable for the case at hand.
  • OPEN DYNAMICS ENGINE OPEN DYNAMICS ENGINE
  • Some embodiments of the method may further comprise receiving one or more signals from a user device, said signals causing the succession of one or more sections of the kinematic chain forced by a user.
  • calculating the sequence of displacement sections of the kinematic chain may comprise, for each segment of forced displacement by the user, adjusting said calculation taking as a starting point this segment of displacement forced by the user.
  • Embodiments of the method of the invention may further comprise generating, for each section of forced displacement by the user, at least one haptic signal representative of the movement of the kinematic chain between the walls of the tracheobronchial tree; and send each of the generated haptic signals to a user haptic device for transmission to said user.
  • the indication of the best movement to perform commented above can be carried out visually, by means of a haptic feedback proportional to the cost of the movement of advance chosen and that therefore hinders the advance of the bronchoscope if the orientation chosen by the user is not good ( high cost).
  • the three-dimensional model of the tracheobronchial tree may further comprise a representation of at least part of the veins and arteries adjacent to the tree walls and the target area. Specifically, it could include the representation of at least part of the adjacent interlobar arteries.
  • the three-dimensional model of the tracheobronchial tree may also comprise a representation of at least part of the neighboring pleurae with the tree walls and the target area.
  • the three-dimensional model of the tracheo-bronchial tree may be a dynamic model that continuously simulates a movement in inspiration and expiration of the elements of the tracheo-bronchial tree represented.
  • This simulation of the movement in inspiration and expiration may comprise a simulation of a movement in inspiration and expiration in tidal volume and / or maximum volume.
  • This simulation in inspiration and expiration can be based on showing a sequence of images representative of the bronchial tracheal tree (walls and target area and, optionally, veins, arteries, pleura) in different situations during an inspiration and expiration movement, either in tidal volume and / or maximum.
  • These representative images of the trache-bronchial tree can be obtained from, for example, computerized tomography of the chest during an inspiration and expiration movement, either in tidal and / or maximum volume. These images can be shown sequentially and iteratively, so that the resulting simulation can become very close to reality (that is, a real bronchoscopy).
  • the three-dimensional model of the bronchoscope can be selected according to one or more user requirements from a plurality of three-dimensional models of bronchoscope stored in a repository.
  • These various models may, for example, take into account different numbers of rigid bodies, different dimensions for rigid bodies, different degrees of freedom of rotation, etc.
  • These (simulated) models of bronchoscopes can be representative of different real bronchoscope models existing (or not) in the medical center or centers that use the procedure.
  • the expert will understand that the user may provide the one or more requirements for the selection of the bronchoscope model in various ways. For example, by providing a reference number, or by selecting an item from a list of bronchoscope models, etc.
  • This possibility of selecting different models of bronchoscopes can give the procedure great versatility / flexibility, since the user can perform different bronchoscopy simulations with different bronchoscope models and, finally, select the one that allows bronchoscopy to be performed under more favorable conditions. For example, it may be the case that some bronchoscope models do not allow to reach the target area, but some other model does. In this case, the user / doctor can choose the most appropriate bronchoscope, so that the chances of success of the real bronchoscopy are optimized.
  • the method may comprise the reception of feedback data (feedback) by the user / operator (eg a doctor) on the execution of one or more bronchoscopy simulations.
  • This feedback data may be data relating to possible erroneous or improvable situations.
  • the user can observe (throughout the simulation process) that the tip of the bronchoscope can travel (apparently) a certain section, but, instead, the procedure concludes that no.
  • there may be a calculation error by the procedure which can be corrected from any feedback data provided by the user.
  • This characteristic may allow a continuous improvement of the procedure and, in particular, of the calculations associated with the determination of possible paths.
  • This feedback data could also be useful for improving the design of real bronchoscopes and, of course, their associated "virtual" models.
  • a simulation may end in failure (target area not reached) according to the procedure.
  • the user may have verified (visually) that the target area could be reached if the bronchoscope comprised a certain characteristic that it now does not have, such as a certain joint with a greater angle of rotation or a telescopic design of different diameters, etc.
  • Some of the embodiments of the procedure discussed above may be comprised in a procedure to verify in a virtual bronchoscopy if a certain bronchoscope model can reach a target area that is represented in a certain model of a tracheo-bronchial tree.
  • Embodiments of this verification procedure may therefore include performing some of the embodiments of the procedure for generating a path for a virtual bronchoscopy, taking into account this certain bronchoscope model and this certain model of a trache-bronchial tree together with the corresponding representation of the target area.
  • These embodiments of the verification procedure may further comprise verifying if the generated path reaches the target zone and, in the case of a positive result of said verification, generating at least one signal indicating that the bronchoscope model can reach the target zone.
  • Virtual bronchoscopy can be used to decide if it is really feasible to perform the real bronchoscopy.
  • the invention provides a computer program comprising program instructions to cause a computer system to perform the procedure as described above.
  • Said computer program may be stored in physical storage media, such as recording media, a computer memory, or a read-only memory, or it may be carried by a carrier wave, such as electrical or optical.
  • these storage means can be associated with a local server, so that the computer program can be executed from local locations belonging to, for example, a center or centers served by said local server.
  • these storage means may be associated with a remote server (eg cloud), so that the program can be run from remote locations belonging to, for example, different dispersed centers from which said access can be accessed.
  • Remote server eg cloud
  • the invention provides a system for generating a path for a virtual bronchoscopy, comprising computing means for generating a three-dimensional model of a tracheobronchial tree and computing means for generating a three-dimensional model of a bronchoscope.
  • the three-dimensional model of the tracheo-bronchial tree comprises a representation of the walls of the tracheo-bronchial tree and a representation of a target area.
  • the three-dimensional model of the bronchoscope comprises a representation of a tip of a bronchoscope sight tube through a kinematic chain of rigid bodies with predefined dimensions and connected to each other by joints of a degree of freedom of rotation.
  • the rigid bodies comprise at least one base body that represents the base of the tip and a sight body that represents the sight end of the tip. The rotation of the joints, except that of the base body, represents a movement of flexion of the tip.
  • the system also includes computing means to calculate a sequence of displacements of the kinematic chain that leads the sight body towards the target area without any of the chain bodies exceeding the walls of the tracheobronchial tree.
  • Each displacement section is calculated by applying at least one rotation value of the chain joints and one forward movement of the chain once said rotation value has been applied.
  • the invention provides a system for generating a path for a virtual bronchoscopy, comprising a processor and a memory, said memory being adapted to store executable computer instructions that, when executed by the processor, cause the realization of the procedure described above.
  • Figure 1 schematically illustrates a three-dimensional model of a tracheobronchial tree, according to embodiments of the invention
  • Figure 2a schematically illustrates a tip of a sight tube of a bronchoscope, according to embodiments of the invention
  • Figure 2b schematically illustrates a tip of a bronchoscope sight tube, but differently than Figure 2a, according to embodiments of the invention
  • Figure 3 schematically illustrates a path of the tip of the bronchoscope in which it reaches the target area, according to embodiments of the invention
  • Figure 4 schematically illustrates a path of the tip of the bronchoscope in which it does not reach the target area, according to embodiments of the invention.
  • a system for generating a path for a virtual bronchoscopy can comprise a processor and a memona.
  • This memory for example a hard disk and a RAM
  • executable computer instructions for example a computer program
  • the system may further comprise means for displaying the results of the procedure (for example a screen). These results may be, for example, a model of a tracheo-bronchial tree, a model of bronchoscope, a route of said bronchoscope through said tracheo-bronchial tree, a route forced by a user, etc.
  • the system may further comprise a user device, which can be a haptic device, through which a user can for example force a certain path, receive signals haptics derived from the passage of the bronchoscope through the trache-bronchial tree ducts, etc.
  • a user device which can be a haptic device, through which a user can for example force a certain path, receive signals haptics derived from the passage of the bronchoscope through the trache-bronchial tree ducts, etc.
  • the method of generating a path for a virtual bronchoscopy may comprise generating a three-dimensional model of a tracheo-bronchial tree, said model comprising a representation of the walls of the trache-bronchial tree and a representation of a target area.
  • the method may also comprise the generation of a three-dimensional model of a bronchoscope, as will be described later in reference to Figure 2.
  • This bronchoscope model may comprise a representation of a tip of a bronchoscope sight tube through a kinematic chain of rigid bodies with predefined dimensions and connected to each other by means of joints of a degree of freedom of rotation.
  • These rigid bodies may comprise at least one base body that represents the base of the tip and a sight body that represents the sight end of the tip. This rotation of the joints, except for that of the base body, may represent a flexion movement of the bronchoscope tip.
  • the method may also comprise calculating a sequence of displacements of the kinematic chain that leads the viewer body of the kinematic chain towards the target area of the tracheobronchial tree. These displacement sections are calculated taking into account that none of the bodies that make up the kinematic chain exceed the walls of the tracheobronchial tree, each section of displacement being calculated by applying at least one rotation value of the chain joints and an advance movement of the chain once said rotation value has been applied.
  • Figure 1 schematically illustrates a three-dimensional model of a tracheo-bronchial tree 10, comprising a representation of the walls 1 1 of the tracheo-bronchial tree 10 and a representation of a target zone 12.
  • the target zone 12 It is represented by a sphere.
  • the three-dimensional model of the tracheo-bronchial tree can be obtained by applying a procedure of Morphological reconstruction of a stack of three-dimensional images obtained by means of, for example, a CT scanner.
  • This morphological reconstruction procedure can be based, for example, on the works of Kiraly et al. [AP Kiraly, WE Higgins, G. Mclennan, EA Hoffman, and Reinhardt, "Three-dimensional human airway segmentation methods for clinical virtual bronchoscopy," Academic Radiology, vol. 9, no. 10, pp. 1 153-1 168, 2002] and de Babin et al. [APD Babin, E. Vansteenkiste and W. Philips, "Segmentation of airway s in lungs using projections in 3-D CT angiography images," in Proc. of the 32nd Annual Int. Conf. of the IEEE EMBS, 2010, pp. 3162-3165].
  • This morphological reconstruction may include, in addition to the reconstruction of the tracheobronchial tree walls, the reconstruction of other elements such as veins and adjacent arteries and / or neighboring pleurae.
  • the three-dimensional model of the resulting trache-bronchial tree can become very close to reality.
  • the representation of such veins, arteries and / or pleurae can help minimize the risks of bleeding and pneumothorax.
  • the two-dimensional image stack can comprise successive images obtained in inspiration and expiration, either in normal and / or maximum volume.
  • a dynamic tracheobronchial tree model that represents the movement of the elements represented (walls and, optionally, veins, arteries and / or pleura) in inspiration and expiration, either in maximum volume and / or normal.
  • This dynamic model can greatly increase the realism of simulations. Specifically, it can help identify significant changes in the path, which may be (more likely) more pronounced as the distance to the center increases. All this can be very useful for the user / doctor for the real bronchoscopy.
  • the morphological reconstruction from the image stack can also comprise an estimate of the density / elasticity of the different elements represented (ie, degree of pulmonary deformity).
  • This estimation of the degree of pulmonary deformity can be obtained by applying different known techniques, such as topographic density calculations and respiratory functional tests. These Calculations can generate an indicator of the degree of pulmonary deformity for at least some of the walls represented in the tracheobronchial tree. This indicator may be a numerical value indicating the degree of pulmonary deformity (for example: low, medium, high) of the wall or region of the wall.
  • a three-dimensional (or 3D) triangular mesh 15 that surrounds the voxels (or volumetric pixels) 13, 14 having a gray level below a certain threshold can be generated.
  • This mesh 15 can be generated using for example AMIRA software (http://www.amira.com/, 2010) and represented for example as a VRML file (acronym for "Virtual Reality Modeling Language”); in Spanish “Language for Virtual Reality Modeling ").
  • the 3D image obtained can be binarized and a slack map can be obtained (in English: ciearance) by labeling the voxels 14 that belong inside the tracheo-bronchial tree 10 with the distance L1 to the walls of the tracheo-bronchial tree 10 Then, all these voxels 14 can be for example represented as a graph (considering for example the Manhattan neighborhood) using for example the Boost Graph library.
  • Target zone 12 may be an area of the tracheobronchial tree (or, in general, of the lung) suspected of understanding a lung injury.
  • This lung injury may be a solid or semi-solid lesion, or a diseased parenchymal area, which may require biopsy or be subject to some type of local treatment.
  • the objective of the process of the invention will therefore be to define a path of the bronchoscope that allows to reach the target zone 12.
  • the target zone 12 may be defined by a user / physician and comprise one or more regions (of interest) that can be biopsied or treated locally. These regions of interest can be shown in different ways, such as through different colors and / or texts superimposed on the images.
  • the target zone 12 can be identified (or selected) by the doctors (or users of the procedure) in the CT images and represented by a sphere 12 in the VRML file.
  • a procedure can also be performed to detect all the voxels inside the tracheobronchial tree that are within the sphere 12 and determine the voxel that is closest to the center of the sphere 12, this voxel may be called the target voxel.
  • each of these regions can be treated in the same way as the target zone 12, that is, identified by means of a sphere, obtaining target voxel, etc.
  • FIG. 2a schematically illustrates a tip of a sight tube of a bronchoscope.
  • This tip 20 is modeled by a kinematic chain of rigid bodies, in this case spheres 22-25, with predefined dimensions and connected to each other by joints of a degree of freedom of rotation 26, the spheres 22-25 comprising at least one base sphere 22 representing the base of the tip and a sight sphere 23 representing the sight end of the tip.
  • the rotation 26 of the joints except for that of the base sphere 22, represent a bending movement of the tip 20.
  • the kinematic chain may comprise a cylinder between each pair of consecutive spheres in order to complete the gap 27 between each pair of consecutive spheres. In this way, a representation of the most real tip is achieved.
  • This figure also shows a simplified representation 21 of the tip 20, which is in the form of a tube 21 and will be used in figures discussed below.
  • Figure 2b schematically illustrates a tip of a bronchoscope sight tube, but differently than Figure 2a does. If of Figure 2b, the objective is to explain some calculations that can be performed in the context of embodiments of the process of the invention. That is why the rigid bodies are represented more simply by linear links of length l, among which are those that represent both the base body 22 (link 0) and the viewer body 23 (last link).
  • the kinematic chain is composed of a set of n + 1 equal links with joints coupled between them, except for the first link 22, which is different in the sense that its joint is not coupled.
  • Table 1 shows possible DH parameters, in which the joint angles o and ®% V? :- one . . .
  • 77 are indicated by & ys, and the total bending due to the coupled joints is indicated by ⁇ , that is P - ⁇ ⁇ .
  • the angle & represents the torsion of the tip, and the angle ⁇ represents the flexion of the tip.
  • a fixed transform is added to define the base of the chain with the% b axis pointing in the opposite direction of the chain.
  • the camera is located in the viewfinder body 23 of the chain facing the direction
  • the first link can be a sphere of radius l; the other links (from 1 to n) can be modeled with two spheres of radius l connected with a cylinder of radius and height also equal to l.
  • a central viewing point (hereinafter PCV) can be defined.
  • these parameters can be easily parameterized through, for example, an input file in XML format.
  • the possible movements of the tip 20, 21 can be described with the following three degrees of freedom (coupled):
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) 1) The torsion movement around the axis of the tube 20, 21, which can be modeled as a change in the angle Q-, that is in the base sphere 22 or in the value of the first joint.
  • ⁇ ® (that is, the tip is fully extended), it corresponds to a rectilinear translational movement along the * * axis.
  • the bronchoscope tip model may not comprise the angle or (which represents the torsion of the tip). In these embodiments, therefore, only forward / reverse and flexion movements of the tip would be taken into account. According to alternative embodiments, none of the angles or ⁇ (torsion) and ⁇ (flexion) would be limited to maximum and minimum angles. In other embodiments, however, only one of them ( «,) could be limited to maximum and minimum angles.
  • the following algorithm 1 shows how the transformation of the PCV of the tip can be calculated after an advance movement Az, given certain angles of torsion a and of bending ⁇ .
  • This algorithm takes into account the following notation: (Az to 6) refers to advance, twist angle and bending angle, T hasei refers to the configuration of the base body, n refers to the number of coupled joints, is refers to the length of each link, T ' an (#o s #i., ⁇ ., # «.) refers to the direct kinematics of the chain, and ⁇ « i i +1 refers to the new configuration of the PCV.
  • s is the size of the largest side of the voxel.
  • the link can be considered to be in collision and the tip is therefore not in a free configuration.
  • the tip is in a free configuration and that it has a distance value associated with it. This distance value can be calculated by adding all the clearances calculated in the collision verification process described above.
  • the travel sections and associated costs can be obtained by applying for example a navigation function that can
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) be for example a function of type NF1.
  • This NF1 navigation function can be obtained by calculating distances between each mesh cell and the target by propagating a wavefront. This function NF1, therefore, would give each cell a representative value of the distance between it and the target, so that a cost could be calculated for each cell according to the distance from this cell to the target, said lower cost being the lower said distance.
  • the NF1 function can be adapted also taking into account the clearance between the tip and the walls. This adaptation may be based on reducing the potential that is propagated from a value proportional to the clearance. Taking into account, for example, that * is the potential of a particular node that is the potential of a neighboring node i that is being expanded, that c i is the clearance of the node (that is, the distance L1 with respect to obstacles or walls ), and that C max is a slack threshold (or maximum slack), the potential? It can be calculated, starting from a zero potential for the target cell, applying the following formula:
  • any visited node J can be visited again from other expanding neighboring nodes.
  • the potential can be updated as long as the new expanding neighbor node results in a value less than
  • This adaptation of the NF1 function produces a potential free of local minima that results in displacement sections with great clearance.
  • This adapted NF1 function can be calculated in the tracheobronchial tree starting from the target voxel (which can be obtained in the manner described in reference to Figure 1) and using C max as an average of the maximum distance to the walls (this can be efficiently calculated using the functions of the Boost Graph library).
  • the potential values calculated by the adapted NF1 function will be called NF1 values.
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26)
  • a cost function can be defined that verifies if the new resulting configuration is closer to the target and / or has a better clearance and / or does not require a large change in the angle «(torsion).
  • the selection of the best possible movement can be approximated by selecting it from a set S of for example 121 pairs of values ( Q , ⁇ ). These values can be obtained by scanning the entire range of o ⁇ and a subset of the range of ⁇ centered on a value.
  • a subset S can be defined of the set S of pairs of values ( Q , ⁇ ) that result, after an advance Az, in a collision-free configuration.
  • a valid subset $ of Subnet can also be defined. whose values ( «, ⁇ ) also satisfy that the PCV of the tip of the bronchoscope ends in a voxel with a lower NF1 value. In this way, the following costs can be calculated for all pairs of values ( ⁇ , ⁇ ) belonging to
  • the cost - ⁇ i i allows to evaluate the reduction of the adapted NF1 function, and can be calculated by applying the following formula: h, ⁇ j ⁇ - (4)
  • the cost Kci allows to evaluate if the applied movement improves the centrality of the PCV of the tip of the bronchoscope with respect to the substantially tubular cavity formed by the walls of the tracheo-bronchial tree.
  • the centrality gradient can be calculated first by applying the following formula: g - p (v 0 )) ⁇ cL (v k ) - r / ( ⁇ , 3 ⁇ 4,)) (5) in which P ⁇ v ) and C I (V Q ) are
  • the scalar product of the direction of movement can also be calculated with the distance gradient, which allows to evaluate if the tip of the bronchoscope is moving towards a more central position of the substantially tubular cavity formed by the walls of the tracheo-bronchial tree.
  • the cost to be able to evaluate and give greater or lesser weight to both the changes in Q and the absolute value of No large changes in ce are desirable. Specifically, small values of ct are preferable, for ergonomic reasons, when the bending is small. When the flexion is not small, the value of «cannot be chosen, but is determined by the geometry of the bronchi.
  • the cost a It can be calculated for example by applying the following formula:
  • K mi K cl v K can also take into account a cost relative to the degree of pulmonary deformity of the trache-bronchial walls.
  • This cost of the degree of pulmonary deformity can be very useful if the cost & ci indicates an adjusted passage of the bronchoscope tip, since, in this case, the bronchoscope tip might only be able to continue the trajectory if the elasticity of the tracheo-bronchial walls allow it.
  • a total cost can be obtained in the form of a weighted average of at least two of said components. This total cost can be obtained for example by applying the following formula:
  • K (i, j) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (?, J) + UciKd (i, i) + ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ( "> j) (9)
  • ⁇ NF's a weight associated cost 3 ⁇ 4FI
  • ⁇ C .I is a weight associated with the cost ⁇ ⁇
  • u ⁇ x is a weight associated with the cost - & a.
  • the value of K may be within the range [0,1] if 3 ⁇ 4n, K C ⁇ and A, are within this range (such as considering the calculations described above) and weights
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) ⁇ 'FI, ⁇ ci and ⁇ ' a. Are they positive and satisfy ⁇ 1 ⁇ 2 i +? c i + c a - 1 Given all this, the best move will be the one that produces a value less than
  • this cost could also have an associated weight.
  • the weight associated with the cost relative to the degree of pulmonary deformity may depend on the cost & c.i, since it may make sense or not to consider the degree of pulmonary deformity depending on whether the Kci cost reflects an adjusted step
  • the weight associated with the cost relative to the degree of pulmonary deformity may be zero.
  • the cost Kcl indicates an adjusted passage of the bronchoscope tip, it may be interesting that the weight associated with the cost relative to the degree of pulmonary deformity is predominant.
  • the following algorithm 2 makes it possible to obtain a path of the bronchoscope tip from an initial configuration to a final configuration in which the PCV is within the target voxel.
  • Az refers to an advance
  • v objective refers to an objective voxel
  • P refers to the path generated by the algorithm
  • achieved refers to a if the ⁇ ⁇ has been reached or not by the PCV of the tip of the bronchoscope.
  • each iteration caused by the "while” statement corresponds to the calculation of a displacement section as part of the path of the bronchoscope tip. Therefore, each calculated displacement section would be defined by Az and C (), where C 0 ' J) is the value of ( «, fi) that implies a lower cost (step 3.3). Stage 3.1 included in said "while" loop would correspond to the determination of the set of candidate travel sections, from which the one with the lowest cost is selected (step 3.3).
  • each calculation of each section of movement of the kinematic chain may further comprise reducing the selected section of candidate movement (as part of the route) by discarding a final part of the section.
  • step 3.4 of algorithm 2 may be performed by algorithm 1 taking into account a smaller advance & z ⁇ y
  • Some or all of the formulas indicated above in the context of embodiments of the invention could be parameterizable.
  • some or all of the constants involved in these formulas could be parameterizable, in order to be able to adapt them continuously depending on the results obtained in different executions of the procedure.
  • weights w NFI, M C I and / and / or the weight relative to the degree of pulmonary deformity could be continuously altered to give more or less relevance to the associated relative costs depending on the results obtained.
  • determining the set of candidate travel sections may comprise, for each of said candidate travel sections, verify whether the candidate travel segment causes at least one collision
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) of the kinematic chain with some of the walls of the tracheo-bronchial tree; and perform, for each collision detected, a dynamic simulation of the collision and adjust the candidate displacement section according to the result of this simulation.
  • This dynamic simulation can be performed for example by using the OPEN DYNAMICS ENGINE library, although other suitable libraries could be used.
  • the method may comprise receiving one or more signals from a user device, said signals causing the succession of one or more sections of the kinematic chain forced by a user.
  • calculating the sequence of displacement sections of the kinematic chain could comprise, for each of said displacement sections forced by the user, adjusting said calculation taking as a starting point this segment of displacement forced by the user.
  • the method may further comprise generating, for each section of forced displacement by the user, at least one haptic signal representative of the movement of the kinematic chain between the walls of the tracheobronchial tree; and send each of the generated haptic signals to a user haptic device for transmission to said user. For example, collisions of the kinematic chain with the walls of the trache-bronchial tree could be transmitted to the user through said haptic device.
  • the user could take control of the movements (that is, forced by the user) during the virtual scan, that is, step 3.4 could be performed by the user using a device, which It could be a haptic device. Then, in order to assist the user in this task, the best movement (or displacement section) calculated by algorithm 2 in step 3.3 could be continuously proposed to the user, both visually and haptically (if the user device is a haptic device).
  • Different embodiments of the procedure could be used in a procedure to verify in a virtual bronchoscopy if a model of Bronchoscope can reach a target area that is represented in a tracheo-bronchial tree model.
  • the procedure for generating a path for a virtual bronchoscopy described above could be performed, taking into account this bronchoscope model and this tracheo-bronchial tree model along with its representation of the target area. Then, from the generated route, it could be verified if it reaches the target zone and, in case of positive result of said verification, at least one signal could be generated indicating that the bronchoscope model can reach the target zone.
  • the bronchoscope model may be selected according to one or more user requirements from a plurality of bronchoscope models existing in a repository of bronchoscopes models.
  • Each of these models of bronchoscopes can correspond, for example, to a real type of bronchoscope.
  • the procedure may comprise the simulation of one or more bronchoscopes using some or all models of bronchoscopes in the repository, in order to identify which of the existing bronchoscopes are the most appropriate.
  • each of the simulations executed may reflect whether the bronchoscope can enter or not in the segmental bronchus target (beyond 3 to division), since in some patients, particularly if the lesion is found in the upper lobes , there is no possible angulation to overcome the first divisions.
  • the simulation could conclude by indicating that the target area (or regions from which a sample is to be taken) cannot be reached with the bronchoscope model used.
  • any of the existing models bronchoscopes overcomes the 3rd division, the procedure can sort found different routes depending on the distance to the target area. For each of these routes, information of interest could be provided, such as the relationship between the target area and the aforementioned bronchial (or endoluminal, extrinsic compression, absence of contact with the aforementioned bronchial or bronchial) and / or distance ( real and linear) between the bronchoscope viewfinder and the target area.
  • Figure 3 schematically illustrates a path 32 of the tip of a bronchoscope from an initial position 30 to an end position 31, said path 32 allowing the tip to reach the target zone 12. In this case, it could be generated (and for example visualized ) an adequate signal indicating that a real bronchoscopy might be worthwhile, given that the chances of the goal being reached by the tip of the bronchoscope could be high.
  • Figure 4 schematically illustrates a path 42 of the tip of a bronchoscope from an initial position 40 to an end position 41, said path 42 not allowing the tip to reach the target area 43.
  • it could be generated (and for example visualize) an adequate signal indicating that a real bronchoscopy might not be worthwhile, given that the chances of the goal being reached by the tip of the bronchoscope could be reduced.
  • the tip could not reach the target area 43 but that it could be achieved with, for example, tweezers or the like arranged at the tip of the bronchoscope. In this way, a signal could be generated indicating that the target area is not reachable with the tip of the bronchoscope but would be attainable by using a suitable tool, through the bronchoscope.
  • the described embodiments of the invention with reference to the drawings comprise computer systems and processes performed in computer systems
  • the invention also extends to computer programs, more particularly to computer programs in or on carrier means, adapted to put the invention into practice.
  • the computer program may be in the form of source code, object code or an intermediate code between source code and object code, such as partially compiled form, or in any other form suitable for use in the implementation of the processes in accordance with the invention.
  • the carrier medium can be any entity or device capable of carrying the program.
  • the carrier medium may comprise a storage medium, such as a ROM, for example a CD ROM or a semiconductor ROM, or a magnetic recording medium, for example a floppy disc or a hard disk.
  • the carrier means may be a transmissible carrier medium such as an electrical or optical signal that can be transmitted via electrical or optical cable or by radio or other means.
  • the carrier medium may be constituted by said cable or other device or medium.
  • the carrier means may be an integrated circuit in which the computer program is encapsulated (embedded), said integrated circuit being adapted to perform, or to be used in the realization of, the relevant processes.

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Abstract

Procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual, que comprende generar un modelo de un árbol traqueo-bronquial y un modelo de un broncoscopio. El modelo del árbol traqueo-bronquial comprende una representación de las paredes del árbol y de una zona objetivo. El modelo del broncoscopio comprende una representación de un extremo visor(punta)del broncoscopio mediante una cadena cinemática de cuerpos rígidos articulados entre sí. Los cuerpos rígidos comprenden al menos una base y un cuerpo visor. La rotación de las articulaciones representa un movimiento de flexión de la punta. El procedimiento comprende además calcular una secuencia de desplazamientosde la cadena que conduzca el cuerpo visor hacia elobjetivo sin que ninguno de los cuerpos rígidossobrepase las paredes del árbol traqueo-bronquial, siendo calculado cada tramo aplicando al menos un valor de rotación de las articulaciones de la cadena y un movimiento de avance de la cadena.

Description

PROCEDIMIENTO DE GENERACIÓN DE UN RECORRIDO PARA UNA
BRONCOSCOPIA VIRTUAL
DESCRIPCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual teniendo en cuenta un determinado modelo tridimensional de un árbol tráqueo-bronquial y un determinado modelo tridimensional de un broncoscopio.
La presente invención se refiere también a un programa informático y un sistema adecuados para llevar a cabo este procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
El diagnóstico de cáncer de pulmón requiere normalmente la realización de broncoscopias para la biopsia de lesiones identificadas mediante radiografías de pecho o tomografías computarizadas de tórax, aunque en el caso de lesiones pulmonares periféricas pequeñas pueden usarse citologías o biopsias percutáneas por aspiración mediante agujas. Estas técnicas tienen un ratio de éxito elevado pero presentan un cierto riesgo de neumotorax, entre otros inconvenientes. Por consiguiente, las biopsias transbronquiales usando broncoscopios ultrafinos están resultando una buena alternativa dado que estos broncoscopios pueden ser insertados bajo visión directa en bronquios más periféricos que los broncoscopios tradicionales. La identificación de los caminos a través de bronquios accesibles para alcanzar lesiones pulmonares pequeñas es, sin embargo, compleja durante un tiempo de exploración limitado, y por tanto la aplicación de broncoscopias virtuales puede ser de gran ayuda [N. Shinagawa, K. Yamazaki, Y. Onodera, K. Miyasaka, E. Kikuchi, H. Dosaka-Akita, and M. Nishimura, "CT-guided transbronchial biopsy using an ultrathin bronchoscope with virtual bronchoscopic navigation," CHEST, vol. 125, no. 3, pp. 1138-1143, 2004]. Una broncoscopia virtual es una técnica de reconstrucción tridimensional generada por computador que permite a los médicos o personal sanitario explorar el árbol tráqueo-bronquial como ayuda para localizar la zona enferma (por ejemplo haciendo que el tubo bronquial virtual sea sem ¡-transparente con el fin de que el nodo linfático sea visible), evaluar si es necesano realizar la broncoscopia real y planificar automáticamente un recorrido dentro del modelo tridimensional [J. Ferguson and G. McLennan, "Virtual bronchoscopy," Proceedings of American Thoracic Society, vol. 2, pp. 488-491, 2005]. Uno de los puntos débiles de los sistemas de broncoscopia virtual actuales es que sólo ofrecen la posibilidad de una exploración mediante una cámara que pasa a través de puntos pre-calculados, que es controlada mediante un teclado o un mouse, por lo que las limitaciones geométricas y cinemáticas del broncoscopio son ignoradas. En consecuencia, por un lado no hay una correspondencia entre los movimientos reales que el médico realizaría con un broncoscopio real, y por otro lado no se proporciona información sobre si una lesión periférica puede ser alcanzada efectivamente con un determinado broncoscopio, o sobre cual sería el punto más cercano a dicha lesión que puede ser alcanzado.
La planificación de movimientos para una broncoscopia virtual ha sido, hasta este momento, concebida sólo en el contexto de animaciones navegables, es decir para encontrar un recorrido de una cámara representada por un punto desde la tráquea hasta una región objetivo ignorando las restricciones geométricas y cinemáticas del broncoscopio. Kiraly et al. [A. P. Kiraly, J. Helferty, E. Hoffman, G. McLennan, and W. Higgins, "Three-dimensional path planning for virtual bronchoscopy," IEEE Trans Med Imaging, vol. 23, pp. 1365-1379, 2004] construyeron un esqueleto a partir de imágenes de tomografía computarizada segmentadas y lo mejoraron eliminando ramificaciones falsas y realizando un proceso de centrado de las ramificaciones, realizando una interpolación de sub-vóxeles mediante funciones spline, y finalmente derivando las direcciones de visión (o exploración). Un enfoque similar pero más simple fue divulgado en la publicación [M. Negahdar, A. Ahmadian, N. Navab, and K. Firouznia, "Path planning for virtual bronchoscopy, " in Proc. of the 28th IEEE EMBS Annual Int. Conf, 2006, pp. 156-159]. Un broncoscopio (o videobroncoscopio) es un tubo largo, fino y flexible acoplado a una cámara CCD. Algunos autores en el campo de planificación de recorridos se han enfrentado con el problema de planificar recorridos para objetos lineales deformables, como por ejemplo Molí and Kavraki [M. Molí and L. Kavraki, "Path plan ni ng for deformable linear objects," IEEE Trans. Robotics, vol. 22, no. 4, p. 625636, 2006] en el contexto de la planificación de sutura quirúrgica, o Gayle et al. [R. Gayle, P. Segars, M. Un, and D. Manocha, "Path planning for deformable robots in complex environments, " in In Robotics: Systems and Science, 2005] en el contexto de la planificación de recorridos de catéteres en quimioembolización hepática enfocando el problema como un problema de simulación dinámica restringida. Este último enfoque tiene en cuenta la geometría del catéter de forma limitada aunque no considera las restricciones cinemáticas del mismo, por lo que su aplicación a broncoscopios podría ser factible aunque con ciertas complejidades relevantes y, por supuesto, con las limitaciones/restricciones mencionadas.
El movimiento de la cámara acoplada en la punta del broncoscopio tiene tres grados de libertad (la rotación alrededor del eje del tubo, el avance a lo largo de éste y la flexión de la punta) y está afectado por restricciones no holonómicas. Restricciones de movimiento similares se encuentran en la planificación de movimientos de agujas de gran flexibilidad y de punta biselada que se mueven a lo largo de trayectorias curvas en el tejido cuando se aplica una fuerza de empuje hacia adelante. En relación a este problema, Lobaton et al. [S. P. E. Lobaton, J. Zhang and R. Alterovitz, "Planning curvature constrained paths to múltiple goals using circle sampling, " in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Aut., 2011, pp. 1463 - 1469] construyó un mapa de carreteras probabilístico mediante el muestreo de círculos de curvatura constante y generando transiciones factibles entre los círculos del muestreo con una fórmula de forma cerrada para espacios de trabajo bidimensionales y tridimensionales, y Patil y Alterovitz [S. Patil and R. Alterovitz, "Interactive motion planning for steerable needles in 3d environments with obstacles," in Proc. of the IEEE RAS/EMBS Int. Conf. on Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2010, pp. 893-899] propusieron un árbol aleatorio de exploración rápida con una heurística de muestreo guiado de accesibilidad adaptada a dicho problema, estando esta heurística de muestreo descrita en el documento [A. Shkolnik, M. Walter, and R. Tedrake, "Reachability-guided sampling for planning under differential constraints, " in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2009, pp. 4387-4393]. Esta última propuesta podría ser adaptada para broncoscopios (con el fin de tener en cuenta que el área de trabajo para la broncoscopia es el árbol traqueobronquial, que es un espacio muy limitado sin obstáculos), usando por ejemplo algunos enfoques basados en árboles aleatorios de exploración rápida como los siguientes: [A. Yershova and S. M. Lavalle, "Motion planning for highly constrained spaces," Connect, vol. 396, pp. 297-306, 2009] y [D. Berenson, T. Simeón, and S. Srinivasa, "Addressing cost-space chasms in manipularon planning, " in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2011, pp. 4561 - 4568]. No obstante, estas adaptaciones podrían ser de aplicación bastante compleja dadas las particularidades asociadas con las broncoscopias.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Por lo tanto, aún existe la necesidad de nuevos procedimientos, programas informáticos y sistemas de planificación de un recorrido para una broncoscopia virtual que solucionen al menos alguno de los problemas antes mencionados. Es un objetivo de la presente invención satisfacer dicha necesidad.
En un primer aspecto, la invención proporciona un procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual, que comprende generar un modelo tridimensional de un árbol tráqueo-bronquial y generar un modelo tridimensional de un broncoscopio. El modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial comprende una representación de las paredes del árbol tráqueo-bronquial y una representación de una zona objetivo. El modelo tridimensional del broncoscopio comprende una representación de una punta de un tubo visor del broncoscopio mediante una cadena cinemática de cuerpos rígidos con dimensiones predefinidas y conectados entre sí mediante articulaciones de un grado de libertad de rotación. Los cuerpos rígidos comprenden al menos un cuerpo base que representa la base de la punta y un cuerpo visor que representa el extremo visor de la punta. La rotación de las articulaciones, exceptuando la del cuerpo base, representa un movimiento de flexión de la punta. El procedimiento comprende además calcular una secuencia de tramos de desplazamiento de la cadena cinemática que conduzca el cuerpo visor hacia la zona objetivo sin que ninguno de los cuerpos de la cadena sobrepase las paredes del árbol tráqueo-bronquial. Cada tramo de desplazamiento es calculado aplicando al menos un valor de rotación de las articulaciones de la cadena y un movimiento de avance de la cadena una vez aplicado dicho valor de rotación.
El uso de una cadena cinemática de cuerpos rígidos para modelar, de la manera descrita en el párrafo anterior, la punta del tubo visor del broncoscopio permite una determinación de recorridos de dicha punta para alcanzar un determinado objetivo mucho más realista que en los sistemas actualmente conocidos.
En algunas realizaciones de la invención, el procedimiento puede tener en cuenta que la rotación de las articulaciones, exceptuando la del cuerpo base, está limitada a unos ángulos máximo y mínimo predefinidos de rotación de las articulaciones. El hecho de limitar el rango de valores de estas articulaciones permite que los movimientos de la cadena cinemática que modela la punta del broncoscopio se asemejen de manera más fidedigna a los de la punta del broncoscopio real.
En realizaciones del procedimiento de la invención, cada cálculo de cada tramo de desplazamiento de la cadena cinemática puede comprender determinar un conjunto de tramos de desplazamiento candidatos, siendo calculado cada tramo de desplazamiento candidato mediante la aplicación de al menos un valor candidato de rotación de las articulaciones de la cadena y un movimiento candidato de avance de la cadena una vez aplicado dicho valor candidato de rotación. Cada cálculo de cada tramo de desplazamiento puede comprender también calcular un coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos a partir del cálculo de un coste relativo a la reducción de la distancia entre el cuerpo visor y la zona objetivo que produciría dicho tramo de desplazamiento candidato, siendo menor dicho coste relativo cuanto mayor sea dicha reducción. Además, cada cálculo de cada tramo de desplazamiento puede comprender también determinar el menor de dichos costes calculados asociados a los tramos de desplazamiento candidatos, y seleccionar el tramo de desplazamiento candidato asociado a dicho coste calculado menor. La morfología del árbol tráqueo-bronquial permite el uso de técnicas locales de planificación de movimientos (en las que el mejor movimiento a realizar desde cualquier configuración depende de dicha configuración y su entorno inmediato), que son rápidas y efectivas en entornos donde difícilmente se pueden dar situaciones de mínimos locales. La selección del tramo de desplazamiento que reduzca más la distancia del extremo visor de la punta a la zona objetivo, garantiza que el recorrido total desde la configuración inicial hasta dicha zona objetivo sea mínimo.
En realizaciones del procedimiento de la invención, calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos puede comprende además calcular un coste relativo al aumento de la distancia entre el cuerpo visor y las paredes del árbol tráqueo-bronquial que produciría dicho tramo de desplazamiento candidato, siendo menor dicho coste relativo cuanto mayor sea dicho aumento. La consideración de un coste asociado a la distancia a las paredes redunda en recorridos de máxima holgura que facilitan que existan movimientos que sean físicamente realizables (que respeten las restricciones de los límites de las articulaciones y no produzcan colisiones que bloqueen el avance).
En algunas realizaciones del procedimiento, el cálculo de cada tramo de desplazamiento candidato puede comprender además, antes de la aplicación del movimiento candidato de avance, la aplicación de un movimiento candidato de rotación del cuerpo base con respecto a un eje longitudinal de este cuerpo base, representando dicha rotación del cuerpo base un movimiento de torsión de la punta. En estas realizaciones, calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos puede comprender además calcular un coste relativo al movimiento candidato de rotación del cuerpo base, siendo menor dicho coste relativo cuanto menor sea dicha rotación en valor absoluto y con respecto al movimiento precedente. La consideración de un coste asociado al movimiento de rotación del cuerpo base en los términos detallados redunda en un recorrido de la punta del broncoscopio que se puede comandar (tanto en la broncoscopia virtual como en la real) de manera más ergonómica, ya que requiere menos giros de la muñeca que asa el mango del broncoscopio real, y éstos son menores. En realizaciones de la invención, el procedimiento puede tener en cuenta que la rotación del cuerpo base está limitada a unos ángulos máximo y mínimo predefinidos de rotación del cuerpo base. El hecho de limitar el rango de valores de la rotación del cuerpo base (torsión de la punta) permite que los movimientos de la cadena cinemática que modela la punta del broncoscopio se asemejen de manera más fidedigna a los de la punta del broncoscopio real. En concreto, la rotación del mango del broncoscopio real alrededor de su eje (que provoca un giro de la base de la punta alrededor de su eje) se produce mediante un giro de muñeca, que está limitado por la anatomía humana. Los límites de la torsión dependen del modelo de broncoscopio usado, por lo que el hecho de considerar de manera exacta estos límites permite que el recorrido que se obtenga sea efectivamente realizable.
En algunas realizaciones, calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos puede comprender además calcular un coste relativo al aumento de la centralidad del cuerpo visor con respecto a la cavidad sustancialmente tubular conformada por las paredes del árbol tráqueo-bronquial, siendo menor dicho coste relativo cuanto mayor sea dicho aumento. La consideración de un coste asociado a la rapidez con que el movimiento comandado se aleja de las paredes (se mueve en la dirección del gradiente de la holgura), permite escoger los movimientos tendentes a recentrar el elemento visor en el eje de los bronquios, ganando en la calidad de los recorridos resultantes.
De acuerdo con realizaciones de la invención, calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos puede comprender además calcular un coste relativo en función de un indicador de elasticidad y/o densidad estimada para las paredes del árbol tráqueo-bronquial, siendo menor dicho coste relativo cuanto mayor sea dicho indicador de elasticidad y/o densidad estimada. Este indicador puede ser denominado también "grado de deformidad pulmonar" y puede reflejar además el grado de elasticidad y/o densidad del parénquima colindante con las paredes tráqueo-bronquiales.
El indicador del grado de deformidad pulmonar puede ser obtenido a partir de diversas técnicas conocidas. Por ejemplo, la densidad puede estimarse por medio de cálculos de densidad topográfica a partir de, por ejemplo, tomografías computerizadas (TC) de tórax. La elasticidad puede estimarse, por ejemplo, mediante pruebas funcionales respiratorias. Ejemplos de pruebas funcionales respiratorias son: espirometría forzada, curva flujo- volumen, volúmenes pulmonares por pletismografía, etc. El indicador del grado de deformidad pulmonar podría ser, por ejemplo, un valor entre T y '3', en el que T podría representar un grado de deformidad pulmonar bajo, '2' un grado de deformidad pulmonar medio, y '3' un grado de deformidad pulmonar alto. El experto apreciará, no obstante, que otras implementaciones de este indicador son posibles.
Este coste propuesto en función del indicador del grado de deformidad pulmonar otorga una mayor versatilidad y fiabilidad al procedimiento. Por ejemplo, puede haber situaciones en las que se estime que el paso del broncoscopio por una determinada zona del árbol tráqueo-bronquial es muy ajustado. Sin embargo, el paso de broncoscopio podría llegar a considerarse viable si esta zona tiene una elasticidad muy alta. En cambio, si la elasticidad es baja, podría llegar a considerarse que el paso del broncoscopio por esta zona no es posible, en cuyo caso este trayecto podría ser descartado.
En realizaciones del procedimiento, cada coste relativo puede tener asociado un peso, el cual, preferiblemente puede ser parametrizable. Además, en estas realizaciones, calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos puede comprender además aplicar a cada coste relativo calculado su peso asociado. La consideración de estos pesos permite modular la aportación de cada coste. El peso del coste asociado a la distancia al objetivo puede ser el principal para guiar el recorrido hacia su meta, permitiendo los pesos restantes mejorar la calidad del mismo. La parametrización del valor de los pesos permitirá su ajuste en función de las características del broncoscopio usado.
El peso asociado al coste relativo al grado de deformidad pulmonar puede depender totalmente o en parte de algún otro de los costes. Por ejemplo, si el coste relativo a la distancia entre el cuerpo visor y las paredes tráqueo- bronquiales es bajo, puede no tener sentido considerar el grado de deformidad pulmonar de la zona. Es decir, si se estima que el paso del broncoscopio es holgado, el peso relativo al grado de deformidad pulmonar podría ser muy bajo o incluso cero. En cambio, si se considera que el paso del broncoscopio es (muy) ajustado, el peso relativo al grado de deformidad pulmonar puede ser (muy) alto, ya que la viabilidad del paso del broncoscopio dependerá en gran medida del grado de deformidad pulmonar que se estime en esta zona.
En algunas realizaciones, cada cálculo de cada tramo de desplazamiento de la cadena cinemática puede comprender además reducir el tramo de desplazamiento candidato seleccionado descartando una parte final del tramo. El recorrido final es la concatenación de tramos de desplazamiento (se selecciona el tramo siguiente desde la posición final del tramo actual). La reducción del tramo de desplazamiento seleccionado permite calcular el siguiente tramo desde una posición más cercana a la anterior, lo que permite una mejor adaptación al entorno, a la vez que no afecta a la distancia inicial usada para la selección del tramo, que permite que la punta "mire" más allá del paso que finalmente se realizará. Se ha comprobado experimentalmente que esta reducción de los tramos inicialmente propuestos permite obtener mejores recorridos de la punta del broncoscopio. Preferiblemente, la parte final del tramo descartada es un porcentaje predefinido del tramo, que puede rondar por ejemplo el 20% (por ejemplo 5mm y 1 mm).
En realizaciones del procedimiento, determinar el conjunto de tramos de desplazamiento candidatos comprende, para cada uno de dichos tramos de desplazamiento candidatos, verificar si el tramo de desplazamiento candidato causa al menos una colisión de la cadena cinemática con alguna de las paredes del árbol tráqueo-bronquial, y realizar, para cada colisión detectada, una simulación dinámica de la colisión y ajusfar el tramo de desplazamiento candidato según el resultado de esta simulación. En los movimientos del broncoscopio real, la punta flexionada se va acomodando a las paredes de los bronquios, es decir que si bien el extremo visor de la punta del broncoscopio debe seguir un camino libre de colisiones y centrado al máximo, el resto de cuerpos de la punta pueden colisionar y apoyarse en las paredes para avanzar hacia el objetivo. La consideración de tramos de desplazamiento que pueden resultar en colisiones con las paredes pero sin producirse bloqueos, hace que la simulación permita encontrar recorridos que no serían posibles de otra forma, y que éstos sean mucho más reales.
En algunas realizaciones, la simulación dinámica de esta colisión puede ser realizada mediante el uso de la librería OPEN DYNAMICS ENGINE (ODE), la cual es ampliamente usada en la simulación dinámica de cadenas de cuerpos rígidos, por lo que podría ser adecuada para el caso que nos ocupa.
Algunas realizaciones del procedimiento pueden comprender además recibir una o más señales procedentes de un dispositivo de usuario, causando dichas señales recibidas la obtención de una sucesión de uno o más tramos de desplazamiento de la cadena cinemática forzados por un usuano. En dichas realizaciones, calcular la secuencia de tramos de desplazamiento de la cadena cinemática puede comprender, para cada tramo de desplazamiento forzado por el usuario, ajustar dicho cálculo tomando como punto de partida este tramo de desplazamiento forzado por el usuario. Estas realizaciones permiten, además de la visión de un camino solución desde un punto inicial en por ejemplo la tráquea hasta una lesión periférica objetivo, la posibilidad de navegar interactivamente a través de los bronquios a la vez que el camino solución se va recalculando desde la posición actual al objetivo, guiando al usuario (médico) mediante la indicación del mejor movimiento a realizar.
Realizaciones del procedimiento de la invención pueden comprender además generar, para cada tramo de desplazamiento forzado por el usuario, al menos una señal háptica representativa del desplazamiento de la cadena cinemática entre las paredes del árbol tráqueo-bronquial; y enviar cada una de las señales hápticas generadas a un dispositivo háptico de usuario para su transmisión a dicho usuario. La indicación del mejor movimiento a realizar comentado anteriormente, puede realizarse a parte de visualmente, mediante una realimentación háptica proporcional al coste del movimiento de avance escogido y que por lo tanto dificulta el avance del broncoscopio si la orientación escogida por el usuario no es buena (alto coste).
De acuerdo con algunas realizaciones, el modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial puede comprender además una representación de al menos parte de las venas y arterias colindantes con las paredes del árbol y la zona objetivo. En concreto, podría comprender la representación de al menos parte de las arterias interlobares colindantes. En algunas realizaciones, el modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial puede comprender también una representación de al menos parte de las pleuras vecinas con las paredes del árbol y la zona objetivo. Estas representaciones adicionales (venas y arterias y/o pleuras) hacen que el procedimiento ofrezca una simulación más realista de la realización de la broncoscopia. En concreto, la representación de venas y arterias y/o pleuras puede ayudar a minimizar los riesgos de sangrado y/o neumotorax.
En algunas realizaciones, el modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial puede ser un modelo dinámico que simula de forma continuada un movimiento en inspiración y espiración de los elementos del árbol tráqueo- bronquial representados. Esta simulación del movimiento en inspiración y espiración puede comprender una simulación de un movimiento en inspiración y espiración en volumen corriente y/o en volumen máximo.
Esta simulación en inspiración y espiración puede basarse en mostrar una secuencia de imágenes representativas del árbol traqueo bronquial (paredes y zona objetivo y, opcionalmente, venas, arterias, pleuras) en diferentes situaciones durante un movimiento de inspiración y espiración, ya sea en volumen corriente y/o máximo.
Estas imágenes representativas del árbol tráqueo-bronquial pueden ser obtenidas a partir de, por ejemplo, tomografías computerizadas de tórax durante un movimiento de inspiración y espiración, ya sea en volumen corriente y/o máximo. Estas imágenes pueden ser mostradas en secuencia y de forma iterativa, de modo que la simulación resultante puede llegar a ser muy próxima a la realidad (es decir, a una broncoscopia real).
De acuerdo con realizaciones de la invención, el modelo tridimensional del broncoscopio puede ser seleccionado según uno o más requisitos de usuario de entre una pluralidad de modelos tridimensionales de broncoscopio almacenados en un repositorio. Estos diversos modelos pueden, por ejemplo, tener en cuenta diferentes números de cuerpos rígidos, diferentes dimensiones para los cuerpos rígidos, diferentes grados de libertad de rotación, etc. Estos modelos (simulados) de broncoscopios pueden ser representativos de diferentes modelos de broncoscopio reales existentes (o no) en el centro o centros médicos usuarios del procedimiento.
El experto entenderá que el usuario podrá proporcionar el uno o más requisitos para la selección del modelo de broncoscopio de diversas maneras. Por ejemplo, proporcionando un número de referencia, o seleccionando un elemento de una lista de modelos de broncoscopio, etc.
Esta posibilidad de seleccionar diferentes modelos de broncoscopios puede otorgar al procedimiento una gran versatilidad/flexibilidad, ya que el usuario podrá realizar diferentes simulaciones de broncoscopia con diferentes modelos de broncoscopio y, finalmente, seleccionar el que permita realizar la broncoscopia en unas condiciones más favorables. Por ejemplo, podría darse el caso de que algunos modelos de broncoscopio no permitan llegar a la zona objetivo, pero algún otro modelo sí lo permita. En este caso, el usuario/médico podrá elegir el broncoscopio más apropiado, de modo que se optimizan las posibilidades de éxito de la broncoscopia real.
De acuerdo con realizaciones de la invención, el procedimiento puede comprender la recepción de unos datos de realimentación (feedback) por parte del usuario/operador (p.ej. un médico) sobre la ejecución de una o más simulaciones de broncoscopia. Estos datos de realimentación pueden ser datos relativos a posibles situaciones erróneas o mejorables. Por ejemplo, el usuario puede observar (a lo largo del proceso de simulación) que la punta del broncoscopio puede recorrer (aparentemente) un determinado tramo, pero, en cambio, el procedimiento concluye que no. En este caso, puede haber un error de cálculo por parte del procedimiento, el cual puede ser corregido a partir de eventuales datos de realimentación proporcionados por el usuario. Esta característica puede permitir una mejora continua del procedimiento y, en concreto, de los cálculos asociados con la determinación de posibles trayectos.
Estos datos de realimentación (proporcionados por el usuario) también podrían ser de utilidad para mejorar el diseño de los broncoscopios reales y, por supuesto, sus modelos "virtuales" asociados. Por ejemplo, una simulación puede acabar en fracaso (zona objetivo no alcanzada) según el procedimiento. En cambio, el usuario puede haber constatado (visualmente) que se podría alcanzar la zona objetivo si el broncoscopio comprendiera una determinada característica que ahora no tiene, como por ejemplo una determinada articulación con un ángulo de rotación mayor o un diseño telescópico de diferentes diámetros, etc. Algunas de las realizaciones del procedimiento comentadas anteriormente pueden estar comprendidas en un procedimiento para verificar en una broncoscopia virtual si un determinado modelo de broncoscopio puede alcanzar una zona objetivo que está representada en un determinado modelo de árbol tráqueo-bronquial. Realizaciones de este procedimiento de verificación pueden comprender, por tanto, realizar alguna de las realizaciones del procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual, teniendo en cuenta este determinado modelo de broncoscopio y este determinado modelo de árbol tráqueo-bronquial junto con la correspondiente representación de la zona objetivo. Estas realizaciones del procedimiento de verificación pueden comprender además verificar si el recorrido generado alcanza la zona objetivo y, en caso de resultado positivo de dicha verificación, generar al menos una señal indicando que el modelo de broncoscopio sí puede alcanzar la zona objetivo. La broncoscopia virtual puede servir para poder decidir si es realmente factible realizar la broncoscopia real. Actualmente, no se conocen sistemas/procedimientos de broncoscopia virtual que den información sobre si se podrá realizar con éxito la broncoscopia real (llegar al objetivo con un broncoscopio determinado).
En un segundo aspecto, la invención provee un programa informático que comprende instrucciones de programa para provocar que un sistema de computación realice el procedimiento según descrito anteriormente. Dicho programa informático puede estar almacenado en unos medios de almacenamiento físico, tales como unos medios de grabación, una memoria de ordenador, o una memoria de solo lectura, o puede ser portado por una onda portadora, tal como eléctrica u óptica.
Estos medios de almacenamiento pueden estar asociados a un servidor local, de modo que el programa informático puede ser ejecutado desde ubicaciones locales pertenecientes a, por ejemplo, un centro o centros a los que da servicio dicho servidor local. Alternativamente o adicionalmente, estos medios de almacenamiento pueden estar asociados a un servidor remoto (p.ej. nube), de modo que el programa puede ser ejecutado desde ubicaciones remotas pertenecientes a, por ejemplo, diferentes centros dispersos desde los que puede accederse a dicho servidor remoto. En un tercer aspecto, la invención proporciona un sistema para generar un recorrido para una broncoscopia virtual, que comprende medios de computación para generar un modelo tridimensional de un árbol tráqueo- bronquial y medios de computación para generar un modelo tridimensional de un broncoscopio. El modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial comprende una representación de las paredes del árbol tráqueo-bronquial y una representación de una zona objetivo. El modelo tridimensional del broncoscopio comprende una representación de una punta de un tubo visor del broncoscopio mediante una cadena cinemática de cuerpos rígidos con dimensiones predefinidas y conectados entre sí mediante articulaciones de un grado de libertad de rotación. Los cuerpos rígidos comprenden al menos un cuerpo base que representa la base de la punta y un cuerpo visor que representa el extremo visor de la punta. La rotación de las articulaciones, exceptuando la del cuerpo base, representa un movimiento de flexión de la punta. El sistema comprende además medios de computación para calcular una secuencia de tramos de desplazamiento de la cadena cinemática que conduzca el cuerpo visor hacia la zona objetivo sin que ninguno de los cuerpos de la cadena sobrepase las paredes del árbol tráqueo-bronquial. Cada tramo de desplazamiento es calculado aplicando al menos un valor de rotación de las articulaciones de la cadena y un movimiento de avance de la cadena una vez aplicado dicho valor de rotación.
En un cuarto aspecto, la invención proporciona un sistema para generar un recorrido para una broncoscopia virtual, que comprende un procesador y una memoria, estando dicha memoria adaptada para almacenar instrucciones de ordenador ejecutables que, cuando son ejecutadas por el procesador, causan la realización del procedimiento descrito anteriormente.
Otros objetos, ventajas y características de realizaciones de la invención se pondrán de manifiesto para el experto en la materia a partir de la descripción, o se pueden aprender con la práctica de la invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS A continuación se describirán realizaciones particulares de la presente invención a título de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
La figura 1 ¡lustra esquemáticamente un modelo tridimensional de un árbol tráqueo-bronquial, según realizaciones de la invención;
La figura 2a ¡lustra esquemáticamente una punta de un tubo visor de un broncoscopio, según realizaciones de la invención;
La figura 2b ¡lustra esquemáticamente una punta de un tubo visor de un broncoscopio, pero de forma diferente a como lo hace la figura 2a, según realizaciones de la invención;
La figura 3 ¡lustra esquemáticamente un recorrido de la punta del broncoscopio en el que ésta alcanza la zona objetivo, según realizaciones de la invención; y
La figura 4 ¡lustra esquemáticamente un recorrido de la punta del broncoscopio en el que ésta no alcanza la zona objetivo, según realizaciones de la invención.
EXPOSICION DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN
Un sistema para la generación de un recorrido para una broncoscopia virtual, según realizaciones de la invención, puede comprender un procesador y una memona. Esta memoria (por ejemplo un disco duro y una RAM) puede estar adaptada para almacenar instrucciones de ordenador ejecutables (por ejemplo un programa informático) que, cuando son ejecutadas por el procesador, causan la realización del procedimiento según una cualquiera de las realizaciones que se describen a continuación. En realizaciones de la invención, el sistema puede comprender además unos medios para visualizar los resultados del procedimiento (por ejemplo una pantalla). Estos resultados podrán ser por ejemplo un modelo de árbol tráqueo-bronquial, un modelo de broncoscopio, un recorrido de dicho broncoscopio por dicho árbol tráqueo- bronquial, un recorrido forzado por un usuario, etc. según se describirá más adelante con respecto a realizaciones del procedimiento. En otras realizaciones, el sistema puede comprender además un dispositivo de usuario, que puede ser un dispositivo háptico, a través del cual un usuario puede por ejemplo forzar un determinado recorrido, recibir unas señales hápticas derivadas del paso del broncoscopio a través de los conductos del árbol tráqueo-bronquial, etc.
En realizaciones de la invención, el procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual puede comprender generar un modelo tridimensional de un árbol tráqueo-bronquial, comprendiendo dicho modelo una representación de las paredes del árbol tráqueo-bronquial y una representación de una zona objetivo, según se describirá más adelante en referencia a la figura 1. El procedimiento puede comprender también la generación de un modelo tridimensional de un broncoscopio, según se describirá más adelante en referencia a la figura 2. Este modelo del broncoscopio puede comprender una representación de una punta de un tubo visor del broncoscopio mediante una cadena cinemática de cuerpos rígidos con dimensiones predefinidas y conectados entre sí mediante articulaciones de un grado de libertad de rotación. Estos cuerpos rígidos pueden comprender al menos un cuerpo base que representa la base de la punta y un cuerpo visor que representa el extremo visor de la punta. Esta rotación de las articulaciones, exceptuando la del cuerpo base, puede representar un movimiento de flexión de la punta del broncoscopio. En estas realizaciones, el procedimiento puede comprender también calcular una secuencia de tramos de desplazamiento de la cadena cinemática que conduzca el cuerpo visor de la cadena cinemática hacia la zona objetivo del árbol tráqueo-bronquial. Estos tramos de desplazamiento son calculados teniendo en cuenta que ninguno de los cuerpos que conforman la cadena cinemática sobrepase las paredes del árbol tráqueo-bronquial, siendo calculado cada tramo de desplazamiento mediante la aplicación de al menos un valor de rotación de las articulaciones de la cadena y un movimiento de avance de la cadena una vez aplicado dicho valor de rotación.
La figura 1 ¡lustra esquemáticamente un modelo tridimensional de un árbol tráqueo-bronquial 10, que comprende una representación de las paredes 1 1 del árbol tráqueo-bronquial 10 y una representación de una zona objetivo 12. En este modelo 10, la zona objetivo 12 está representada mediante una esfera.
En algunas realizaciones, el modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial puede ser obtenido mediante la aplicación de un procedimiento de reconstrucción morfológica a una pila de imágenes tridimensionales obtenidas mediante por ejemplo un escáner de tomografía computarizada. Este procedimiento de reconstrucción morfológica puede basarse, por ejemplo, en los trabajos de Kiraly et al. [A. P. Kiraly, W. E. Higgins, G. Mclennan, E. A. Hoffman, y Reinhardt, "Three-dimensional human airway segmentation methods for clinical virtual bronchoscopy," Academic Radiology, vol. 9, no. 10, pp. 1 153-1 168, 2002] y de Babin et al. [A. P. D. Babin, E. Vansteenkiste y W. Philips, "Segmentation of airway s in lungs using projections in 3-D CT angiography images," en Proc. of the 32nd Annual Int. Conf. of the IEEE EMBS, 2010, pp. 3162-3165].
Esta reconstrucción morfológica puede comprender, además de la reconstrucción de las paredes del árbol tráqueo-bronquial, la reconstrucción de otros elementos como p.ej. venas y arterias colindantes y/o pleuras vecinas. De este modo, el modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial resultante puede llegar a ser muy cercano a la realidad. En concreto, la representación de dichas venas, arterias y/o pleuras puede ayudar a minimizar los riesgos de sangrado y neumotorax.
La pila de imágenes bidimensionales puede comprender imágenes sucesivas obtenidas en inspiración y espiración, ya sea en volumen normal y/o máximo. De este modo, es posible obtener un modelo del árbol tráqueo-bronquial dinámico que represente el movimiento de los elementos representados (paredes y, opcionalmente, venas, arterias y/o pleuras) en inspiración y espiración, ya sea en volumen máximo y/o normal. Este modelo dinámico puede aumentar en gran medida el realismo de las simulaciones. En concreto, puede ayudar a identificar cambios significativos en el trayecto, los cuales pueden ser (con mayor probabilidad) más acusados a medida que aumenta la distancia al centro. Todo esto puede ser de gran utilidad para el usuario/médico de cara a la ejecución de la broncoscopia real.
La reconstrucción morfológica a partir de la pila de imágenes puede comprender también una estimación de la densidad/elasticidad de los diferentes elementos representados (es decir, grado de deformidad pulmonar). Esta estimación del grado de deformidad pulmonar puede obtenerse aplicando diferentes técnicas conocidas, como por ejemplo cálculos de densidad topográfica y pruebas funcionales respiratorias. Estos cálculos pueden generar un indicador del grado de deformidad pulmonar para al menos algunas de las paredes representadas en el árbol tráqueo-bronquial. Este indicador puede ser un valor numérico que indique el grado de deformidad pulmonar (por ejemplo: baja, media, alta) de la pared o región de la pared.
La consideración del grado de deformidad pulmonar de las paredes o diferentes regiones de las paredes puede ser de gran utilidad en tramos para los que se estima un paso de la punta del broncoscopio muy ajustado. Si se estima un paso holgado, sin embargo, el indicador del grado de deformidad pulmonar de la zona puede ser irrelevante o muy poco relevante. Si se estima un paso muy ajustado, el paso del broncoscopio por esta zona puede llegar a ser viable si esta zona tiene un grado de deformidad elevado, e inviable ante un grado de deformidad reducido).
En realizaciones del procedimiento, puede generarse una malla triangular tridimensional (o 3D) 15 que envuelva los vóxeles (o píxeles volumétricos) 13, 14 que tengan un nivel de gris por debajo de un determinado umbral. Esta malla 15 puede ser generada usando por ejemplo un software AMIRA (http://www.amira.com/, 2010) y representada por ejemplo como un fichero VRML (sigla del inglés "Virtual Reality Modeling Language"; en español "Lenguaje para Modelado de Realidad Virtual"). La imagen 3D obtenida puede ser binarizada y puede obtenerse un mapa de holgura (en inglés: ciearance) mediante el etiquetado de los vóxeles 14 que pertenecen al interior del árbol tráqueo-bronquial 10 con la distancia L1 a las paredes del árbol tráqueo-bronquial 10. Entonces, todos estos vóxeles 14 pueden ser por ejemplo representados como un grafo (considerando por ejemplo el vecindario Manhattan) usando por ejemplo la librería Boost Graph.
La zona objetivo 12 puede ser una zona del árbol tráqueo-bronquial (o, en general, del pulmón) sospechosa de comprender una lesión pulmonar. Esta lesión pulmonar puede ser una lesión sólida o semisólida, o bien una zona parenquimatosa enferma, que pueda requerir ser biopsiada o ser objeto de algún tipo de tratamiento local. El objetivo del procedimiento de la invención será, por tanto, definir un recorrido del broncoscopio que permita alcanzar la zona objetivo 12. La zona objetivo 12 puede ser definida por un usuario/médico y comprender una o más regiones (de interés) susceptibles de ser biopsiadas o tratadas localmente. Estas regiones de interés pueden ser mostradas de diferentes maneras, como por ejemplo a través de diferentes colores y/o textos sobrepuestos en las imágenes.
La zona objetivo 12 puede ser identificada (o seleccionada) por los médicos (o usuarios del procedimiento) en las imágenes de las tomografías computarizadas y representada mediante una esfera 12 en el fichero VRML. Puede realizarse también un procedimiento que permita detectar todos los vóxeles del interior del árbol tráqueo-bronquial que se encuentren dentro de la esfera 12 y determinar el vóxel que se encuentra más cerca del centro de la esfera 12, pudiendo este vóxel denominarse el vóxel objetivo.
En el caso de que la zona objetivo 12 pueda comprender alguna región de interés, cada una de estas regiones puede ser tratada del mismo modo que la zona objetivo 12, es decir, identificada por medio de una esfera, obtención de vóxel objetivo, etc. Así pues, podrán existir tantos vóxeles objetivo como regiones de interés existan.
La figura 2a ¡lustra esquemáticamente una punta de un tubo visor de un broncoscopio. Esta punta 20 está modelada mediante una cadena cinemática de cuerpos rígidos, en este caso esferas 22-25, con dimensiones predefinidas y conectados entre si mediante articulaciones de un grado de libertad de rotación 26, comprendiendo las esferas 22-25 al menos una esfera base 22 que representa la base de la punta y una esfera visor 23 que representa el extremo visor de la punta. La rotación 26 de las articulaciones, exceptuando la de la esfera base 22, representan un movimiento de flexión de la punta 20. La cadena cinemática puede comprender un cilindro entre cada par de esferas consecutivas con el fin de completar 25 el hueco 27 existente entre cada par de esferas consecutivas. De este modo, se consigue una representación de la punta más real. En esta figura también se muestra una representación simplificada 21 de la punta 20, la cual presenta forma de tubo 21 y será usada en figuras comentadas posteriormente.
La figura 2b ¡lustra esquemáticamente una punta de un tubo visor de un broncoscopio, pero de forma diferente a como lo hace la figura 2a. En el caso de la figura 2b, el objetivo es explicar unos cálculos que pueden realizarse en el contexto de realizaciones del procedimiento de la invención. Es por ello que los cuerpos rígidos están representados de forma más simple mediante unos enlaces lineales de longitud l, entre los que se encuentran los que representan tanto el cuerpo base 22 (enlace 0) como el cuerpo visor 23 (último enlace). En esta figura, la cadena cinemática está compuesta por un conjunto de n+1 enlaces iguales con unas articulaciones acopladas entre ellas, excepto para el primer enlace 22, el cual es diferente en el sentido de que su articulación no está acoplada. La tabla 1 muestra unos posibles parámetros DH, en la cual los ángulos de las articulaciones o y ®% V? :— 1 . . . 77, están indicados mediante & y s, y la flexión total debida a las articulaciones acopladas está indicado mediante β, es decir P — ηζ. El ángulo & representa la torsión de la punta, y el ángulo β representa la flexión de la punta. Se añade una transformada fija para definir la base de la cadena con el eje %b apuntando en la dirección opuesta de la cadena. La cámara está ubicada en el cuerpo visor 23 de la cadena mirando hacia la dirección
Tabla 1 (parámetros DH)
Figure imgf000021_0001
De forma similar a lo comentado antes en referencia a la figura 2a, geométricamente, el primer enlace (enlace 0) puede ser una esfera de radio l; los otros enlaces (desde el 1 hasta el n) pueden estar modelados con dos esferas de radio l conectadas con un cilindro de radio y altura también igual a l. En el centro de la esfera visor 23 del último enlace puede definirse un punto central visor (en adelante PCV). El modelo puede tener por ejemplo 1 1 articulaciones (es decir, n=10) y la longitud l de los enlaces puede ser por ejemplo 1 mm, los valores de ¿ pueden variar entre por ejemplo -60° y 90°, y los valores de β pueden variar entre por ejemplo -90° y 120°. No obstante, estos parámetros pueden ser fácilmente parametrizables a través de por ejemplo un fichero de entrada en formato XML.
En algunas realizaciones, los posibles movimientos de la punta 20, 21 pueden ser descritos con los siguientes tres grados de libertad (acoplados):
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) 1 ) El movimiento de torsión alrededor del eje del tubo 20, 21 , el cual puede ser modelado como un cambio en el ángulo Q-, es decir en la esfera base 22 o en el valor de la primera articulación.
2) La flexión de la punta 20, 21 , el cual puede ser modelado como un cambio en el valor ζ de las articulaciones acopladas, siendo la flexión total igual a β = ηξ.
3) El movimiento de avance/retroceso del tubo 20, 21 a lo largo de su eje, el cual puede ser modelado por un incremento Az aplicado al cuerpo base que produce una rotación negativa de un án ulo ^β alrededor del eje ¾*:
Figure imgf000022_0001
,i_ d J cos(É/2)
Para el caso particular de ζ = ® (es decir, la punta está totalmente extendida), corresponde a un movimiento traslacional rectilíneo a lo largo del eje *¾.
En realizaciones alternativas, el modelo de la punta del broncoscopio podría no comprender el ángulo o (que representa la torsión de la punta). En estas realizaciones, por tanto, sólo se tendrían en cuenta los movimientos de avance/retroceso y de flexión de la punta. De acuerdo con realizaciones alternativas, ninguno de los ángulos o¿ (torsión) y β (flexión) estarían limitados a unos ángulos máximo y mínimo. En otras realizaciones, sin embargo, sólo uno de ellos («, ) podría estar limitado a unos ángulos máximo y mínimo.
El siguiente algoritmo 1 muestra como puede calcularse la transformación del PCV de la punta después de un movimiento de avance Az, dados unos ángulos de torsión a y de flexión β determinados. Este algoritmo tiene en cuenta la siguiente notación: (Az, a, 6) se refiere al avance, ángulo de torsión y ángulo de flexión, Thasei se refiere a la configuración del cuerpo base, n se refiere al número de articulaciones acopladas, se refiere a la longitud de cada enlace, T'án (#o s #i . , < ·., #«.) se refiere a la cinemática directa de la cadena, y ^ « i i +1 se refiere a la nueva configuración del PCV.
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) Algoritmo 1
Figure imgf000023_0001
retorna f>cy
Con el fin de determinar si un enlace está en colisión pueden realizarse por ejemplo las siguientes etapas:
1 ) Localizar el vóxel v(L,) que contiene el centro de la esfera base del enlace (esto puede repetirse también para la esfera final 23 del último enlace).
2) Verificar si su valor de holgura cl{v(Li)) calculado como la distancia L1 con respecto a las paredes, satisface la siguiente condición:
Figure imgf000023_0002
en la que s es el tamaño del lado más grande del vóxel.
Si se satisface dicha condición, puede considerarse que el enlace está en colisión y la punta no está, por tanto, en una configuración libre. Cuando ninguno de los enlaces está en colisión, puede considerarse que la punta está en una configuración libre y que tiene un valor de distancia asociado a ésta. Este valor de distancia puede ser calculado mediante la suma de todas las holguras calculadas en el proceso de verificación de colisiones descrito antes.
Los tramos de desplazamiento y costes asociados pueden obtenerse mediante la aplicación de por ejemplo una función de navegación que puede
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) ser por ejemplo una función del tipo NF1 . Esta función de navegación NF1 puede ser obtenida mediante el cálculo de distancias entre cada celda de la malla y el objetivo mediante una propagación de un frente de onda. Esta función NF1 , por tanto, otorgaría a cada celda un valor representativo de la distancia entre ésta y el objetivo, con lo que podría calcularse para cada celda un coste según la distancia desde esta celda al objetivo, siendo dicho coste menor cuanto menor sea dicha distancia.
Con el fin de evitar posibles contactos de la punta con las paredes del árbol tráqueo-bronquial, la función NF1 puede ser adaptada teniendo en cuenta además la holgura entre la punta y las paredes. Esta adaptación puede basarse en reducir el potencial que se propaga a partir de un valor proporcional a la holgura. Teniendo en cuenta por ejemplo que * es el potencial de un determinado nodo que es el potencial de un nodo vecino i que está siendo expandido, que ci es la holgura del nodo (es decir, la distancia L1 con respecto a los obstáculos o paredes), y que Cmax es un umbral de holgura (u holgura máxima), el potencial ? puede calcularse, partiendo de un potencial cero para la celda objetivo, aplicando la siguiente fórmula:
Figure imgf000024_0001
De este modo, cualquier nodo visitado J puede ser visitado otra vez desde otros nodos vecinos en expansión. El potencial puede ser actualizado siempre que el nuevo nodo vecino en expansión resulte en un valor menor de
Esta adaptación de la función NF1 produce un potencial libre de mínimos locales que resulta en unos tramos de desplazamiento con una gran holgura. Esta función NF1 adaptada puede ser calculada en el árbol tráqueo-bronquial empezando desde el vóxel objetivo (que puede ser obtenido de la manera descrita en referencia a la figura 1 ) y usando Cmax como media de la distancia máxima a las paredes (ésta puede ser calculada eficientemente usando las funciones de la librería Boost Graph). Los valores potenciales calculados por la función NF1 adaptada serán denominados valores NF1 .
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) Con el fin de evaluar un control (valores de a y β) aplicado para obtener un avance Az de la punta del broncoscopio una vez que se ha obtenido una determinada configuración, puede por ejemplo definirse una función de coste que verifique si la nueva configuración resultante es más cercana al objetivo y/o tiene una holgura mejor y/o no requiere un gran cambio en el ángulo « (torsión). La selección del mejor posible movimiento puede ser aproximado seleccionándolo de entre un conjunto S de por ejemplo 121 pares de valores (Q, β). Estos valores pueden ser obtenidos mediante un barrido de todo el rango de o¡ y un subconjunto del rango de β centrado en un valor .^o correspondiente a la configuración actual: c(íj ) - - (ίδα, β0 + jS8) i Z , i, j £ [-5, 5] (3) en el que <* = Rango (a)/10 y δβ = 5o (S¡ β Rango (β) entonces c( ) puede no ser considerado).
Puede definirse un subconjunto S Ubre del conjunto S de pares de valores (Q, β) que resultan, después de un avance Az, en una configuración libre de colisiones. También puede definirse un subconjunto $ válido de Subre. cuyos valores («, β) también satisfacen que el PCV de la punta del broncoscopio acaba en un vóxel con un valor NF1 menor. De este modo, pueden calcularse los siguientes costes para todos los pares de valores (α, β) pertenecientes a
¿> válido : -^ΜΊ , & cl y
El coste -^ i i permite evaluar la reducción de la función NF1 adaptada, y puede calcularse aplicando la siguiente fórmula: h, ^ j \ - (4)
en la que W NH es e| valor de la función NF1 en el vóxel ocupado por el PCV de la punta del broncoscopio después de la aplicación de un avance
Az con un par cí' ) perteneciente a S válido, y mNF1 = minVc^ ε ¾áí¿doPC WF1 (C(-¿j)) y MNF1 = maxVc(-¿ ) £ ¾áí¿d0PCVWF1 (C(-¿ )).
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) El coste K i menor será por tanto el mejor, es decir el que desplaza el PCV de la punta del broncoscopio más cerca del objetivo (que tiene un valor NF1 igual a cero).
El coste Kci permite evaluar si el movimiento aplicado mejora la centralidad del PCV de la punta del broncoscopio con respecto a la cavidad sustancialmente tubular conformada por las paredes del árbol tráqueo- bronquial. Para calcular el & ci puede calcularse primero el gradiente de la centralidad aplicando la siguiente fórmula: g - p(v0)) {cL(vk) - r/ (·,¾, ) ) (5)
Figure imgf000026_0001
en la que PÍv ) y CI(VQ) son |as coordenadas del vóxel más cercano al PCV del broncoscopio y su centralidad respectivamente, y P(¾) y cl(vk) son las coordenadas y centralidad de uno de los 26 vóxeles vecinos de
Para calcular el & e.i puede calcularse también el producto escalar de la dirección del movimiento con el gradiente de la distancia, el cual permite evaluar si la punta del broncoscopio se está moviendo hacia una posición más central de la cavidad sustancialmente tubular conformada por las paredes del árbol tráqueo-bronquial. Este producto escalar puede obtenerse aplicando la siguiente fórmula: c a j) = í - ^ - z tf q( ) - > o (6) e \ 0 en cualquier otro caso en la que ρ^ ν0) es la posición del vóxel que contiene el PCV del broncoscopio después de aplicar un avance Az con el par C¾,<uí), y q{i,j) = Pc¿ ) Oo) - Oo) / I IPc¿j) (^O) _ POo)l l es la dirección unitaria resultante del movimiento del PCV.
Finalmente, puede calcularse el coste K-eÁ ' i) aplicando la siguiente fórmula:
Figure imgf000026_0002
en la que mcg = minVc i ) ε Sválido cg(i,j) y Mcg = maxVc i ) ε Sválidocg(i,j) .
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) El coste Kci menor será por tanto el mejor, es decir el que mueve la punta del broncoscopio hacia configuraciones más centrales de la cavidad sustancialmente tubular conformada por las paredes del árbol tráqueo- bronquial .
El coste a permite evaluar y dar mayor o menor peso tanto a los cambios en Q como al valor absoluto de No son deseables grandes cambios en ce. En concreto, son preferibles valores pequeños de ct, por motivos ergonómicos, cuando la flexión es pequeña. Cuando la flexión no es pequeña, no puede elegirse el valor de « sino que viene determinado por la geometría de los bronquios. El coste a. puede calcularse por ejemplo aplicando la siguiente fórmula:
Ka( i, j ) - 0.5(1 ···· j/¾ !)|{¾! + 0.5j(¾ «o)/2| (8) en la que O: y P son valores normalizados en el rango [-1 ,1 ].
El coste menor será por tanto el mejor, es decir el que se resulte del menor cambio posible en Q y/o del menor valor absoluto de ct.
Además de los costes Kmi Kcl v Ka el procedimiento puede tener en cuenta también un coste relativo al grado de deformidad pulmonar de las paredes tráqueo-bronquiales. Este coste del grado de deformidad pulmonar puede ser muy útil si el coste & ci indica un paso ajustado de la punta del broncoscopio, ya que, en este caso, la punta del broncoscopio sólo podría ser capaz de proseguir la trayectoria si la elasticidad de las paredes tráqueo- bronquiales lo permiten.
A partir de los componentes & ci y & puede obtenerse un coste total en forma de una media ponderada de al menos dos de dichos componentes. Este coste total puede obtenerse por ejemplo aplicando la siguiente fórmula:
K(i, j ) = ωΝΐηΚΝΡί (?,, j) + UciKd (i, i) + ωαΚα («> j) (9) en la que ^NF¡ es un peso asociado al coste ¾FI , ^C.I es un peso asociado al coste ^ Í , y u{x es un peso asociado al coste -& a . El valor de K puede estar dentro del rango [0,1 ] si ¾n , Kc¡ y A , , están dentro de este rango (como es el caso teniendo en cuenta los cálculos anteriormente descritos) y los pesos
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) ^' FI , < ci y ^ ' a. son positivos y satisfacen ^½ i + ?ci + c a — 1 Teniendo en cuenta todo esto, el mejor movimiento será el que produce un valor menor de
K.
En el caso de que se considere el coste relativo al grado de deformidad pulmonar, este coste podría tener también un peso asociado. El peso asociado al coste relativo al grado de deformidad pulmonar puede depender del coste & c.i , puesto que podría tener sentido o no considerar el grado de deformidad pulmonar dependiendo de si el coste Kci refleja un paso ajustado
0 holgado de la punta del broncoscopio. En concreto, si el coste & ci indica que la punta del broncoscopio puede pasar de forma holgada, el peso asociado al coste relativo al grado de deformidad pulmonar puede ser cero. En cambio, si el coste Kcl indica un paso ajustado de la punta del broncoscopio, puede interesar que el peso asociado al coste relativo al grado de deformidad pulmonar sea predominante.
El siguiente algoritmo 2 permite obtener un recorrido de la punta del broncoscopio a partir de una configuración inicial hasta una configuración final en la que el PCV está dentro del vóxel objetivo. En este algoritmo, Az se refiere a un avance, c¿„¿ se refiere a una configuración inicial de la punta del broncoscopio, v objetivo se refiere a un vóxel objetivo, P se refiere al recorrido generado por el algoritmo, y alcanzado se refiere a si el ν πνο ha sido alcanzado o no por el PCV de la punta del broncoscopio.
Algoritmo 2
1 - Calcular la función de navegación NF1 adaptada
2, P 4~ Cini
mientras (PCV de la punta no está en V 0fojef†Vfl ) hacer
3.1. 6γ ~ Calcularla, β) candidatos usando Az (calculado con la ecuación (3))
3.2. S váhdo ~ Evaluar S
si s válido ^ 0 entonces
retorna {P, alcanzado=NO)
final del si
3.3. C(i ) ~- Elegir candidato con el coste K menor (calculado con la ecuación (9))
3.4. c 4— mover punta del broncoscopio
3.5. P c
final del mientras
retorna {.P, alcanzado=SÍ }
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) En este algoritmo 2, cada iteración causada por la sentencia "mientras" corresponde al cálculo de un tramo de desplazamiento como parte del recorrido de la punta del broncoscopio. Por lo tanto, cada tramo de desplazamiento calculado estaría definido por Az y C( ) , siendo C0' J) el valor de («, fi) que implica un coste menor (etapa 3.3). La etapa 3.1 comprendida en dicho bucle "mientras" correspondería a la determinación del conjunto de tramos de desplazamiento candidatos, de entre los que se selecciona el que tiene el coste menor (etapa 3.3).
De acuerdo con realizaciones del procedimiento, cada cálculo de cada tramo de desplazamiento de la cadena cinemática (es decir, dentro del bucle "mientras" del algoritmo 2) puede comprender además reducir el tramo de desplazamiento candidato seleccionado (como parte del recorrido) descartando una parte final del tramo. Por ejemplo, en determinadas realizaciones, el paso 3.4 del algoritmo 2 puede ser realizado mediante el algoritmo 1 teniendo en cuenta un avance más pequeño &z < y |0s correspondientes ángulos de torsión y flexión interpolados a0 + (a¿ - α0) δζ/Δζ y β0 + (/?¿ - /?o) δζ/Δζ, siendo (αΌ ι ο ) los ángulos de torsión y flexión de la configuración actual, y siendo c{i,j) ~ '¾ ) aquellos que producen el valor de coste K menor cuando se produce un avance Az. En estas realizaciones, por tanto, el tramo asociado al avance Az inicialmente considerado quedaría reducido a un tramo más corto (según el avance 6z).
Algunas o todas las fórmulas indicadas anteriormente en el contexto de realizaciones de la invención, podrían ser parametrizables. Por ejemplo, algunas o todas las constantes que intervienen en estas fórmulas podrían ser parametrizables, con el fin de poder adaptarlas continuamente en función de los resultados que se vayan obteniendo en diferentes ejecuciones del procedimiento. Por ejemplo, los pesos wNFI , MCI y y/o el peso relativo al grado de deformidad pulmonar, podrían ser alterados continuamente para dar más o menos relevancia a los costes relativos asociados en función de los resultados obtenidos.
Según realizaciones del procedimiento, determinar el conjunto de tramos de desplazamiento candidatos (según por ejemplo el algoritmo 2) puede comprender, para cada uno de dichos tramos de desplazamiento candidatos, verificar si el tramo de desplazamiento candidato causa al menos una colisión
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) de la cadena cinemática con alguna de las paredes del árbol tráqueo- bronquial; y realizar, para cada colisión detectada, una simulación dinámica de la colisión y ajustar el tramo de desplazamiento candidato según el resultado de esta simulación. Esta simulación dinámica puede ser realizada por ejemplo mediante el uso de la librería OPEN DYNAMICS ENGINE, aunque podrían usarse otras librerías adecuadas.
De acuerdo con realizaciones de la invención, el procedimiento puede comprender recibir una o más señales procedentes de un dispositivo de usuario, causando dichas señales recibidas la obtención de una sucesión de uno o más tramos de desplazamiento de la cadena cinemática forzados por un usuario. En estas realizaciones, calcular la secuencia de tramos de desplazamiento de la cadena cinemática podría comprender, para cada uno de dichos tramos de desplazamiento forzados por el usuario, ajustar dicho cálculo tomando como punto de partida este tramo de desplazamiento forzado por el usuario.
En realizaciones de la invención, el procedimiento puede comprender además generar, para cada tramo de desplazamiento forzado por el usuario, al menos una señal háptica representativa del desplazamiento de la cadena cinemática entre las paredes del árbol tráqueo-bronquial; y enviar cada una de las señales hápticas generadas a un dispositivo háptico de usuario para su transmisión a dicho usuano. Por ejemplo, colisiones de la cadena cinemática con las paredes del árbol tráqueo-bronquial podrían ser transmitidas al usuario a través de dicho dispositivo háptico.
Por ejemplo, en el contexto del algoritmo 2, el usuario podría tomar el control de los movimientos (es decir, forzados por el usuano) durante la exploración virtual, es decir, el paso 3.4 podría ser realizado por el usuario mediante un dispositivo, que podría ser un dispositivo háptico. Entonces, con el fin de ayudar al usuario en esta tarea, el mejor movimiento (o tramo de desplazamiento) calculado por el algoritmo 2 en el paso 3.3 podría ser continuamente propuesto al usuario, tanto visualmente como hápticamente (si el dispositivo de usuario es un dispositivo háptico).
Diferentes realizaciones del procedimiento podrían usarse en un procedimiento para verificar en una broncoscopia virtual si un modelo de broncoscopio puede alcanzar una zona objetivo que está representada en un modelo de árbol tráqueo-bronquial. En este procedimiento de verificación, se podría realizar el procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual descrito anteriormente, teniendo en cuenta este modelo de broncoscopio y este modelo de árbol tráqueo-bronquial junto con su representación de la zona objetivo. Entonces, a partir del recorrido generado, se podría verificar si éste alcanza la zona objetivo y, en caso de resultado positivo de dicha verificación, podría generarse al menos una señal indicando que el modelo de broncoscopio sí puede alcanzar la zona objetivo.
En algunas realizaciones, el modelo de broncoscopio puede ser seleccionado según uno o más requisitos de usuario de entre una pluralidad de modelos de broncoscopios existentes en un repositorio de modelos de broncoscopios. Cada uno de estos modelos de broncoscopios puede corresponder, por ejemplo, a un tipo de broncoscopio real.
El procedimiento puede comprender la simulación de una o más broncoscopias usando algunos de o todos los modelos de broncoscopios existentes en el repositorio, con el fin de identificar cual o cuales de los broncoscopios existentes son los más apropiados.
Por ejemplo, cada una de las simulaciones ejecutadas puede reflejar si el broncoscopio puede entrar o no en el bronquio segmentario diana (más allá de la 3a división), puesto que en algunos pacientes, sobre todo si la lesión se halla en los lóbulos superiores, no existe angulación posible para superar las primeras divisiones. En este caso, la simulación podría concluir indicando que no se puede alcanzar la zona objetivo (o regiones de las que se quiere tomar una muestra) con el modelo de broncoscopio utilizado.
Si alguno de los modelos de broncoscopios existentes permite superar la 3a división, el procedimiento puede ordenar las distintas rutas encontradas en función de la distancia a la zona objetivo. Para cada una de estas rutas, podrían proporcionarse informaciones de interés, como por ejemplo la relación entre la zona objetivo y el o los bronquios aferentes (endoluminal, compresión extrínseca, ausencia de contacto con el o los bronquios aferentes) y/o la distancia (real y lineal) entre el visor del broncoscopio y la zona objetivo. La figura 3 ¡lustra esquemáticamente un recorrido 32 de la punta de un broncoscopio desde una posición inicial 30 hasta una posición final 31 , permitiendo dicho recorrido 32 que la punta alcance la zona objetivo 12. En este caso, podría generarse (y por ejemplo visualizarse) una señal adecuada indicando que podría valer la pena realizar una broncoscopia real, dado que las posibilidades de que el objetivo sea alcanzado por la punta del broncoscopio podrían ser elevadas.
La figura 4 ¡lustra esquemáticamente un recorrido 42 de la punta de un broncoscopio desde una posición inicial 40 hasta una posición final 41 , no permitiendo dicho recorrido 42 que la punta alcance la zona objetivo 43. En este caso, podría generarse (y por ejemplo visualizarse) una señal adecuada indicando que no podría valer la pena realizar una broncoscopia real, dado que las posibilidades de que el objetivo sea alcanzado por la punta del broncoscopio podrían ser reducidas.
En el caso de la figura 4, también podría ser posible que la punta no pudiera alcanzar la zona objetivo 43 pero que sí fuera alcanzable con, por ejemplo, unas pinzas o similar dispuestas en la punta del broncoscopio. De este modo, podría generarse una señal que indique que la zona objetivo no es alcanzable con la punta del broncoscopio pero que sí sería alcanzable mediante la utilización de una herramienta adecuada, a través del broncoscopio.
A pesar de que se han descrito aquí sólo algunas realizaciones y ejemplos particulares de la invención, el experto en la materia comprenderá que son posibles otras realizaciones alternativas y/o usos de la invención, así como modificaciones obvias y elementos equivalentes. Además, la presente invención abarca todas las posibles combinaciones de las realizaciones concretas que se han descrito. El alcance de la presente invención no debe limitarse a realizaciones concretas, sino que debe ser determinado únicamente por una lectura apropiada de las reivindicaciones adjuntas.
A pesar también de que las realizaciones descritas de la invención con referencia a los dibujos comprenden sistemas de computación y procesos realizados en sistemas de computación, la invención también se extiende a programas informáticos, más particularmente a programas informáticos en o sobre unos medios portadores, adaptados para poner la invención en práctica. El programa informático puede estar en forma de código fuente, de código objeto o en un código intermedio entre código fuente y código objeto, tal como en forma parcialmente compilada, o en cualquier otra forma adecuada para usar en la implementación de los procesos de acuerdo con la invención. El medio portador puede ser cualquier entidad o dispositivo capaz de portar el programa.
Por ejemplo, el medio portador puede comprender un medio de almacenamiento, tal como una ROM, por ejemplo un CD ROM o una ROM semiconductora, o un medio de grabación magnético, por ejemplo un floppy disc o un disco duro. Además, el medio portador puede ser un medio portador transmisible tal como una señal eléctrica u óptica que puede transmitirse vía cable eléctrico u óptico o mediante radio u otros medios.
Cuando el programa informático está contenido en una señal que puede transmitirse directamente mediante un cable u otro dispositivo o medio, el medio portador puede estar constituido por dicho cable u otro dispositivo o medio.
Alternativamente, el medio portador puede ser un circuito integrado en el que está encapsulado (embedded) el programa informático, estando adaptado dicho circuito integrado para realizar, o para usarse en la realización de, los procesos relevantes.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual, que comprende:
• generar un modelo tridimensional de un árbol tráqueo-bronquial, comprendiendo dicho modelo una representación de las paredes del árbol tráqueo-bronquial y una representación de una zona objetivo;
• generar un modelo tridimensional de un broncoscopio, comprendiendo dicho modelo una representación de una punta de un tubo visor del broncoscopio mediante una cadena cinemática de cuerpos rígidos con dimensiones predefinidas y conectados entre si mediante articulaciones de un grado de libertad de rotación, comprendiendo los cuerpos rígidos al menos un cuerpo base que representa la base de la punta y un cuerpo visor que representa el extremo visor de la punta, y representando dicha rotación de las articulaciones, exceptuando la del cuerpo base, un movimiento de flexión de la punta;
• calcular una secuencia de tramos de desplazamiento de la cadena cinemática que conduzca el cuerpo visor hacia la zona objetivo sin que ninguno de los cuerpos de la cadena sobrepase las paredes del árbol tráqueo-bronquial, siendo calculado cada tramo de desplazamiento mediante la aplicación de al menos un valor de rotación de las articulaciones de la cadena y un movimiento de avance de la cadena una vez aplicado dicho valor de rotación.
2. Procedimiento según la reivindicación 1 , en el que la rotación de las articulaciones está limitada a unos ángulos máximo y mínimo predefinidos de rotación de las articulaciones.
3. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que cada cálculo de cada tramo de desplazamiento de la cadena cinemática comprende:
• determinar un conjunto de tramos de desplazamiento candidatos, siendo calculado cada tramo de desplazamiento candidato mediante la aplicación de al menos un valor candidato de rotación de las articulaciones de la cadena y un movimiento candidato de avance de la cadena una vez aplicado dicho valor candidato de rotación; • calcular un coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos a partir del cálculo de un coste relativo a la reducción de la distancia entre el cuerpo visor y la zona objetivo que produciría dicho tramo de desplazamiento candidato, siendo menor dicho coste relativo cuanto mayor sea dicha reducción;
• determinar el menor de dichos costes calculados asociados a los tramos de desplazamiento candidatos;
• seleccionar el tramo de desplazamiento candidato asociado a dicho coste calculado menor.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos comprende además:
• calcular un coste relativo al aumento de la distancia entre el cuerpo visor y las paredes del árbol tráqueo-bronquial que produciría dicho tramo de desplazamiento candidato, siendo menor dicho coste relativo cuanto mayor sea dicho aumento.
5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 ó 4, en el que el cálculo de cada tramo de desplazamiento candidato comprende además, antes de la aplicación del movimiento candidato de avance, la aplicación de un movimiento candidato de rotación del cuerpo base con respecto a un eje longitudinal de este cuerpo base, representando dicha rotación del cuerpo base un movimiento de torsión de la punta; y
en el que calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos comprende además:
• calcular un coste relativo al movimiento candidato de rotación del cuerpo base, siendo menor dicho coste relativo cuanto menor sea dicha rotación en valor absoluto y con respecto al movimiento precedente.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que la rotación del cuerpo base está limitado a unos ángulos máximo y mínimo predefinidos de rotación del cuerpo base.
7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en el que calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos comprende además: • calcular un coste relativo al aumento de la centralidad del cuerpo visor con respecto a la cavidad sustancialmente tubular conformada por las paredes del árbol tráqueo-bronquial, siendo menor dicho coste relativo cuanto mayor sea dicho aumento.
8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, en el que calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos comprende además:
• calcular un coste relativo en función de un indicador del grado de deformidad pulmonar estimada para las paredes del árbol tráqueo-bronquial, siendo menor dicho coste relativo cuanto mayor sea dicho indicador del grado de deformidad pulmonar estimada.
9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, en el que cada coste relativo tiene asociado un peso; y
en el que calcular el coste asociado a cada uno de los tramos de desplazamiento candidatos comprende además:
• aplicar a cada coste relativo calculado su peso asociado.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que cada peso asociado a un coste relativo es parametrizable.
1 1 . Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, en el que cada cálculo de cada tramo de desplazamiento de la cadena cinemática comprende además:
• reducir el tramo de desplazamiento candidato seleccionado descartando una parte final del tramo.
12. Procedimiento según la reivindicación 1 1 , en el que la parte final del tramo descartada es un porcentaje predefinido del tramo.
13. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 12, en el que determinar el conjunto de tramos de desplazamiento candidatos comprende, para cada uno de dichos tramos de desplazamiento candidatos:
• verificar si el tramo de desplazamiento candidato causa al menos una colisión de la cadena cinemática con alguna de las paredes del árbol tráqueo- bronquial; • realizar, para cada colisión detectada, una simulación dinámica de la colisión y ajustar el tramo de desplazamiento candidato según el resultado de esta simulación.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que la simulación dinámica de esta colisión es realizada mediante el uso de la librería OPEN DYNAMICS ENGINE.
15. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además:
• recibir una o más señales procedentes de un dispositivo de usuario, causando dichas señales recibidas la obtención de una sucesión de uno o más tramos de desplazamiento de la cadena cinemática forzados por un usuario; y
en el que calcular la secuencia de tramos de desplazamiento de la cadena cinemática comprende, para cada tramo de desplazamiento forzado por el usuario, ajustar dicho cálculo tomando como punto de partida este tramo de desplazamiento forzado por el usuario.
16. Procedimiento según la reivindicación 15, que comprende además:
• generar, para cada tramo de desplazamiento forzado por el usuario, al menos una señal háptica representativa del desplazamiento de la cadena cinemática entre las paredes del árbol tráqueo-bronquial;
• enviar cada una de las señales hápticas generadas a un dispositivo háptico de usuario para su transmisión a dicho usuario.
17. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que el modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial comprende además una representación de al menos parte de las venas y arterias colindantes con las paredes del árbol y la zona objetivo.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que la representación de al menos parte de las venas y arterias colindantes comprende la representación de al menos parte de las arterias interlobares colindantes.
19. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que el modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial comprende además una representación de al menos parte de las pleuras vecinas con las paredes del árbol y la zona objetivo.
20. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en el que el modelo tridimensional del árbol tráqueo-bronquial es un modelo dinámico que simula, de forma continuada, un movimiento en inspiración y espiración de los elementos del árbol tráqueo-bronquial representados.
21 . Procedimiento según la reivindicación 20, en el que la simulación del movimiento en inspiración y espiración comprende la simulación de un movimiento en inspiración y espiración en volumen corriente.
22. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 o 21 , en el que la simulación del movimiento en inspiración y espiración comprende la simulación de un movimiento en inspiración y espiración en volumen máximo.
23. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el modelo tridimensional del broncoscopio es seleccionado según uno o más requisitos de usuario de entre una pluralidad de modelos tridimensionales de broncoscopio almacenados en un repositorio.
24. Procedimiento para verificar en una broncoscopia virtual si un modelo de broncoscopio puede alcanzar una zona objetivo representada en un modelo de árbol tráqueo-bronquial, que comprende:
• realizar el procedimiento de generación de un recorrido para una broncoscopia virtual según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 23, teniendo en cuenta este modelo de broncoscopio y este modelo de árbol tráqueo-bronquial junto con su representación de la zona objetivo;
• verificar si el recorrido generado alcanza la zona objetivo y, en caso de resultado positivo de dicha verificación, generar al menos una señal indicando que el modelo de broncoscopio sí puede alcanzar la zona objetivo.
25. Programa informático que comprende instrucciones de programa para provocar que un sistema de computación realice el procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24.
26. Programa informático según la reivindicación 25, que está almacenado en unos medios de grabación.
27. Programa informático según la reivindicación 25, que es portado por una señal portadora.
28. Sistema para la generación de un recorrido para una broncoscopia virtual, que comprende:
• medios de computación para generar un modelo tridimensional de un árbol tráqueo-bronquial, comprendiendo dicho modelo una representación de las paredes del árbol tráqueo-bronquial y una representación de una zona objetivo;
• medios de computación para generar un modelo tridimensional de un broncoscopio, comprendiendo dicho modelo una representación de una punta de un tubo visor del broncoscopio mediante una cadena cinemática de cuerpos rígidos con dimensiones predefinidas y conectados entre si mediante articulaciones de un grado de libertad de rotación, comprendiendo los cuerpos rígidos al menos un cuerpo base que representa la base de la punta y un cuerpo visor que representa el extremo visor de la punta, y representando dicha rotación de las articulaciones, exceptuando la del cuerpo base, un movimiento de flexión de la punta;
• medios de computación para calcular una secuencia de tramos de desplazamiento de la cadena cinemática que conduzca el cuerpo visor hacia la zona objetivo sin que ninguno de los cuerpos de la cadena sobrepase las paredes del árbol tráqueo-bronquial, siendo calculado cada tramo de desplazamiento mediante la aplicación de al menos un valor de rotación de las articulaciones de la cadena y un movimiento de avance de la cadena una vez aplicado dicho valor de rotación.
29. Sistema para la generación de un recorrido para una broncoscopia virtual, que comprende un procesador y una memona; en el que la memoria está adaptada para almacenar instrucciones de ordenador ejecutables que, cuando son ejecutadas por el procesador, causan la realización del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24.
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