Modelos y algoritmos aplicados a la gestión y análisis de imágenes médicas
Habitualmente, varias de las consultas médicas suelen derivar en una solicitud al servicio de Diagnóstico por Imágenes de alguna Institución de Salud para algún estudio basado en imagen (radiografía, ecografía, tomografía computada, etc.). Esto sucede porque mediante la adquisición de distintas modalidades de imágenes, el médico puede visualizar las estructuras internas del cuerpo o las funciones que desarrollan distintos órganos. A través de su análisis, también puede obtener información valiosa para evaluar el problema que originó la consulta y, eventualmente, planificar tratamientos o cirugías.
Las imágenes y su importancia en el diagnóstico y tratamiento
En la actualidad, las imágenes médicas se han hecho casi indispensables para el diagnóstico y tratamiento de los pacientes. El desarrollo de las diferentes tecnologías de imágenes facilitó la introspección de la anatomía humana, eliminando en general la cirugía exploratoria que antes era necesaria en muchos casos. La mayoría de las imágenes se obtienen de forma no-invasiva o mínimamente invasiva, permitiendo revelar con diferente grado de detalle distintos aspectos de la anatomía de la región del cuerpo estudiada u otro tipo de información relacionada con aspectos funcionales. Es por esta razón que el médico puede indicar un tipo de estudio en particular de acuerdo al problema, o incluso sugerir más de un estudio en algunas situaciones.
Las imágenes médicas se generan a partir de distintos principios físicos y poseen diferentes características. Por ejemplo, las imágenes de rayos X son de gran utilidad para determinar problemas óseos o para el diagnóstico de cáncer o afecciones mamarias, entre otras. La tomografía computada genera múltiples imágenes transversales, que permiten generar una reconstrucción tridimensional del volumen analizado y apreciar las estructuras internas con detalle. La resonancia magnética también genera imágenes 3D a partir de una tecnología diferente, sin radiación. Sus utilidades son múltiples, destacándose el diagnóstico y tratamiento de tumores y otras afecciones, debido al notorio contraste de los tejidos blandos. Por otro lado, las imágenes de medicina nuclear se basan en el análisis de radiaciones emitidas desde el interior del cuerpo (a consecuencia de la ingestión de algún radiofármaco) y permiten obtener información sobre las alteraciones metabólicas o fisiológicas de las zonas estudiadas. Otro de los estudios habitualmente indicados por los profesionales son las ecografías, que en forma inocua pueden mostrar información generada por estructuras anatómicas y funciones del cuerpo. Esta tecnología, basada en ultrasonido, ha tenido un desarrollo importante y se obtiene en 2D, doppler (para visualizar ondas de velocidad del flujo, en particular vasos sanguíneos), 3D y 4D (asociada especialmente a la posibilidad de ver en tiempo real al bebé en gestación, en 3D y con movimiento). Esta tecnología permite incluso la generación de imágenes de gran resolución del interior de las arterias, las que se conocen como ultrasonido intravascular o IVUS, capaces de revelar afecciones de las paredes vasculares causantes de graves enfermedades coronarias. Además de estas modalidades, se pueden adquirir otras tales como endoscopías, microscopías, termografías, que también pueden ser de utilidad para el estudio de distintas afecciones.
Los avances tecnológicos, tanto en adquisición como en procesamiento de imágenes, han dado lugar al desarrollo de aplicaciones de asistencia al diagnóstico, la planificación de intervenciones o tratamientos y el monitoreo de enfermedades. Existen distintas posibilidades, en cuanto a la actividad clínica y de investigación, basadas en el análisis de las distintas modalidades médicas que pueden contribuir notoriamente al diagnóstico y seguimiento de los pacientes.
Procesamiento computacional de imágenes médicas
A fin de utilizar el gran volumen de información generada por los distintos dispositivos de captura, se debe recurrir a la utilización de distintas técnicas avanzadas de procesamiento, análisis y visualización de imágenes, también a la construcción de modelos computacionales y de simulación.
Dentro de las etapas del procesamiento de imágenes, un primer grupo de algoritmos se asocian con el pre-procesamiento y realce. Esta etapa puede resultar particularmente importante a fin de reducir el ruido o distorsiones que pueden afectar la información presente en las imágenes, o para la extracción de características de interés, según la aplicación en particular. Otro proceso importante es la segmentación, que permite la detección de diferentes estructuras dentro de la imagen y la construcción de modelos geométricos asociados, para su análisis y visualización, o sobre los cuales realizar la planificación y simulación de tratamientos. Esta etapa es crítica, por los desafíos que generalmente involucran las imágenes médicas y porque su resultado generalmente condiciona al de otros procesos posteriores. A partir de la información obtenida de la imagen, por medio de estrategias de análisis es posible reconocer patrones o extraer diferentes indicadores cuantitativos para evaluar la extensión o distribución de una determinada estructura o patología, o para escoger el tamaño adecuado de un dispositivo antes de ser implantado en un paciente.
Entre otras aplicaciones, con este tipo de procesamientos se puede detectar, por ejemplo, un tumor dentro de una imagen de resonancia para poder luego medir sus dimensiones y analizar su variación en diferentes estadíos de un tratamiento. También es posible extraer el árbol vascular o evidenciar estructuras patológicas en una imagen de la retina del paciente y así asistir en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, como la retinopatía diabética que puede provocar la reducción o pérdida de la capacidad visual. Por medio del procesamiento de imágenes de ultrasonido superficial o de IVUS, se pueden construir herramientas de asistencia al diagnóstico y monitoreo de enfermedades cardiovasculares, que tanto afectan a la población mundial y en particular a la de nuestro país. También es factible la contribución al desarrollo de modelos personalizados de simulación para el estudio de enfermedades y su tratamiento, en particular las afecciones vasculares o de prolapso.
Gestión y transmisión de imágenes médicas
Cuando visitamos algún Centro de Diagnóstico por Imágenes, aún puede ocurrir que nos entreguen una o más placas radiográficas o algunas impresiones sobre papel de los estudios realizados. Pero cada vez con mayor frecuencia, también sucede que nos proporcionan un CD o DVD con copia del estudio, posiblemente completo.
Gradualmente, dentro de las instituciones de salud se aprecia el reemplazo de las películas radiográficas por sistemas de adquisición digital de imágenes. Esta digitalización de los estudios y datos médicos, conlleva al uso de sistemas de archivo y comunicación de imágenes conocidos como PACS (por Picture Archiving and Communication System), para la gestión eficiente de las imágenes médicas. Estos sistemas deben cumplir con el estándar DICOM (Digital Imaging and Communication of Medical Imaging) para su transmisión y almacenamiento y con el estándar HL-7 (Health Level 7) para la transmisión de datos médicos, permitiendo la interconectividad de los equipos y terminales de trabajo, bajo determinados protocolos de seguridad.
Los aspectos más importantes en esta área se asocian a las telecomunicaciones, la informática médica y los servicios de salud. Por medio de estos sistemas y estándares no solo es posible la interconexión de los equipos y estaciones de trabajo en las instituciones de salud, sino que existe un creciente requerimiento de acceso remoto al PACS. Los desarrollos en este aspecto favorecen el avance de aplicaciones relacionadas con la telemedicina, o práctica de servicios de medicina a distancia, a fin de obtener diagnósticos y segundas lecturas por parte de especialistas, proveer servicios radiológicos a sectores alejados de la población, entre otras posibilidades.
Los avances en tecnología y ciencias de la computación posibilitan el estudio y desarrollo de todas estas y muchas otras aplicaciones avanzadas al servicio de la salud, basadas en la gestión, procesamiento y simulación a partir de imágenes médicas. En el PLADEMA, dentro del área de Imágenes Médicas, se trabaja en las líneas mencionadas desde hace varios años, ya sea en la investigación de algoritmos como en el desarrollo de aplicaciones. Por otra parte, los investigadores del grupo participan del dictado de cursos optativos relacionados con la temática en la carrera Ingeniería de Sistemas y en el posgrado de Matemática Computacional e Industrial.
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