Propuesta para Trabajo de Grado

INTRODUCCIÓN

En los últimos años, la medicina ha venido trabajando en conjunto con ciertas ramas de la ingeniería, para desarrollar equipos y sistemas que permitan apoyar su trabajo en la salud humana. La ingeniería de sistemas no se ha quedado atrás, y se han desarrollado programas y algoritmos que permitan apoyar al médico en sus diagnósticos.

En el caso específico de un paciente con problemas en los pulmones, el trabajo del médico consiste en ofrecer un diagnóstico exacto de la enfermedad, de manera que se pueda ofrecer un tratamiento rápido. Existen algoritmos que ayudan al médico en el proceso del diagnóstico, basándose por ejemplo en técnicas de segmentación sobre imágenes de tomografías tomadas al pulmón; que permiten aislar elementos extraños en las imágenes, los cuales resultan ser poco visibles a simple vista para los médicos. El problema aparece cuando las imágenes bidimensionales, a pesar del uso de ciertos algoritmos, no permiten identificar adecuadamente un problema, y se requiere un modelo tridimensional de los pulmones y sus elementos internos, el cual permita una visualización más detallada tanto morfológica, como comportamentalmente. Los problemas que requieren un modelo tridimensional, están relacionados principalmente con ciertos problemas respiratorios, en los que se necesita analizar la ventilación de los pulmones; y esto es algo que no es fácil de determinar a partir de la segmentación sobre tomografías.

Actualmente, entre la Pontificia Universidad Javeriana y el INSA de Lyon en Francia; se está desarrollando un modelo que permite la reconstrucción tridimensional de los pulmones y sus componentes (lóbulos, bronquios, aireación, etc.), de un paciente real; donde el primer objetivo consiste en el desarrollo del modelo que determine la morfología de cada pulmón en sí, ya que esta contiene el resto de los componentes de los pulmones. Esta reconstrucción morfológica consiste inicialmente, en tomar una serie de tomografías transversalmente respecto al tórax del paciente donde la distancia entre cada tomografía es muy pequeña (por el orden de milímetros); después, se segmentan estas tomografías de manera que se obtenga el contorno de los pulmones en cada una [1]; y finalmente, a partir de la interpolación de los contornos se construyen 2 mallas poligonales (una por cada pulmón), las cuales representan la morfología de los pulmones.

El principal problema del método anterior consiste en la gran cantidad de tomografías que se necesitan para generar el modelo real de los pulmones, ya que resulta computacionalmente ineficiente. La solución a este problema consiste en el uso de pocas tomografías para generar las mallas, y realizar una calibración posterior por parte de un médico experto, de manera que se corrijan los posibles errores en las mallas generadas. Esta calibración consiste en una deformación morfológica sobre las mallas [2]. Sin embargo, este requerimiento plantea un nuevo problema y es ¿Cómo realizar una deformación morfológica sobre una malla, de manera interactiva para que pueda ser realizada por un médico?

Este trabajo planeta una solución a este problema, pasando primero por una fase de investigación, donde se determinan las estructuras de datos y algoritmos necesarios para llegar a la solución del problema, pasando luego por una fase de diseño donde se plantea el modelo que se usará, para llegar finalmente a la fase de implementación, donde se desarrollara un prototipo, en el cual se muestra el modelo propuesto.

I - DESCRIPCION GENERAL DEL TRABAJO DE GRADO

Esta sección describe el origen, las características y la forma de desarrollo del trabajo. Esta descripción está basada en la oportunidad que surgió para la elaboración este trabajo, la descripción específica del problema que se quiere resolver, y los objetivos que se llevan a cabo para cumplir con su desarrollo.

1. Oportunidad, Problemática, Antecedentes

Actualmente se está desarrollando un modelo que permite la reconstrucción tridimensional de los pulmones y sus componentes (lóbulos, bronquios, aireación, entre otros) de un paciente real, con el fin de ofrecerle al médico una herramienta con la cual pueda ofrecer diagnósticos más precisos.

El primer objetivo para desarrollar este modelo, consiste en construir la morfología de cada pulmón, ya que esta determina el cascarón del resto de los componentes de los pulmones. Esta reconstrucción morfológica consiste primero, en tomar una serie de tomografías transversalmente respecto al tórax del paciente en la zona donde se encuentran los pulmones, donde la distancia entre cada tomografía es muy pequeña (por el orden de milímetros). Después, se segmentan estas tomografías de manera que se obtenga el contorno de los pulmones en cada una [1]. Finalmente, se realiza una interpolación entre los contornos para construir 2 mallas poligonales, las cuales representan la morfología de cada uno de los pulmones.

El principal problema del método anteriormente descrito, consiste en la gran cantidad de tomografías que se necesitan para generar el modelo real de los pulmones, ya que resulta computacionalmente ineficiente. Para resolver este problema se utiliza un número reducido de tomografías. Sin embargo, el modelo morfológico construido tiene inconsistencias con la realidad.

1.1 Formulación del problema que se resolvió

¿Cómo deformar una malla interactivamente, para que pueda ser usada en la construcción del modelo morfológico de un pulmón?

1.2 Justificación

La solución al problema planteado, consiste en realizar una calibración manual de las mallas que representan la morfología de los pulmones, de manera que se puedan utilizar pocas tomografías, y conseguir aun así un modelo fiel a la realidad.

El objetivo de este trabajo, se centrará entonces en definir un modelo y un prototipo de deformación interactivo de mallas, que permita realizar dicha calibración. Este prototipo será de gran ayuda para la comunidad médica, ya que permite un acercamiento al análisis de los pulmones en 3 dimensiones como parte de un proyecto mayor, permitiendo al médico detectar problemas que no se detectaban analizando tomografías.

1.3 Impacto Esperado

Este prototipo continuará el desarrollo de una aplicación más grande que sirva como herramienta al médico, y contribuya a mejorar la calidad de vida de las personas que sufren diversos problemas en los pulmones, principalmente problemas en la respiración relacionados con la aeración. El desarrollo futuro requiere que exista la malla morfológica de los pulmones junto con el modelo deformable, para poder introducir otros elementos en el modelo tridimensional, como los bronquios y la visualización de aire en los pulmones.

La calibración de la malla se puede llegar a automatizar, utilizando diversos ejemplos como una entrada para un modelo de aprendizaje de máquina.