DETECCIÓN AUTOMÁTICA DE UNA HERRAMIENTA QUIRÚRGICA EN UNA IMAGEN PROPORCIONADA POR UN SISTEMA MÉDICO DE FORMACIÓN DE IMAGENES.

Detección automática de una herramienta quirúrgica en una imagen proporcionada por un sistema médico de formación de imágenes. Campo de la invención La presente invención se refiere a las intervenciones quirúrgicas asistidas por ordenador en las que el cirujano practica la intervención con la asistencia de imágenes proporcionadas por un sistema médico de formación de imágenes. La presente invención se refiere más particularmente a la detección automática de herramientas quirúrgicas en las imágenes proporcionadas por el sistema médico de formación de imágenes. Exposición de la técnica anterior Durante una intervención quirúrgica celioscópica, la cavidad abdominal de un paciente se infla con ayuda de dióxido de carbono. Se realizan unas incisiones de pequeñas dimensiones en la pared abdominal y se introduce un trócar en cada incisión. El número de incisiones depende del tipo de intervención contemplada y varía en general de 2 a 5. Cada trócar corresponde a un tubo hueco y estanco en el que es susceptible de deslizarse una herramienta quirúrgica. Un endoscopio y unas herramientas quirúrgicas se introducen en la cavidad abdominal por medio de los trócares. La imagen proporcionada por el endoscopio es captada por una cámara y presentada sobre una pantalla de visualización. En el curso de la intervención quirúrgica, un asistente desplaza el endoscopio según las instrucciones dadas por el cirujano. Con ayuda de la imagen de vídeo proporcionada por la cámara unida al endoscopio, el cirujano manipula las herramientas quirúrgicas en la cavidad abdominal según la intervención a realizar. Una ventaja de una intervención quirúrgica celioscópica es que es poco traumatizante para el paciente, puesto que las incisiones practicadas son de dimensiones reducidas. Sin embargo, el cirujano no ve directamente los extremos de las herramientas quirúrgicas situadas en la cavidad abdominal y dispone solamente de la imagen de vídeo proporcionada por la cámara unida al endoscopio para practicar la intervención. Por tanto, una intervención quirúrgica celioscópica requiere una gran experiencia por parte del cirujano. Pueden utilizarse sistemas de posicionamiento para desplazar el endoscopio en lugar de un asistente. Se trata, por ejemplo, del sistema de posicionamiento comercializado por la sociedad Computer Motion bajo la denominación Aesop o del sistema de posicionamiento comercializado por la sociedad Armstrong Healthcare bajo la denominación EndoAssist. Tales sistemas de posicionamiento pueden ser controlados por el cirujano por medio de una interfaz hombre/máquina, por ejemplo un pedal, un sistema de control vocal o un sistema de control basado en la detección de los movimientos de cabeza del cirujano. A título de ejemplo, después de órdenes vocales tales como a la izquierda, a la derecha, hacia arriba, hacia abajo, el sistema de posicionamiento puede desplazar el extremo del endoscopio en la cavidad abdominal respectivamente hacia la izquierda, hacia la derecha, hacia arriba o hacia abajo. Un inconveniente de dichos sistemas de posicionamiento es que sólo están generalmente disponibles unas órdenes elementales correspondientes a unos desplazamientos simples del endoscopio. El cirujano debe proporcionar entonces frecuentes órdenes de desplazamiento al sistema de posicionamiento del endoscopio, por ejemplo para seguir los desplazamientos de una herramienta quirúrgica particular, mientras manipula simultáneamente las herramientas quirúrgicas, lo cual demuestra ser muy exigente. Sería deseable poder controlar los desplazamientos del sistema de posicionamiento del endoscopio según instrucciones más complejas. Por ejemplo, sería ventajoso que el cirujano pudiera designar una herramienta quirúrgica particular, lo cual implicaría el desplazamiento automático del endoscopio hacia la herramienta designada. El cirujano sólo tendría entonces que dar regularmente nuevas órdenes de desplazamiento al sistema de posicionamiento del endoscopio y podría dedicarse plenamente a la intervención. Para la ejecución de dichas órdenes de desplazamiento, una posibilidad consiste en determinar automáticamente las posiciones de las herramientas quirúrgicas en la imagen de vídeo proporcionada por la cámara unida al endoscopio. El sistema de posicionamiento del endoscopio puede controlarse entonces de forma automática a partir de las posiciones determinadas de las herramientas quirúrgicas y, por ejemplo, de una orden inicial del cirujano. La publicación de Wei et al. titulada Real-Time Visual Servoing for Laparoscopic Surgery. Controlling Robot Motion with Color Image Segmentation IEEE Engineering in Medecine and Biology, páginas 40-45, 1997, describe un procedimiento de control de los desplazamientos de un sistema de posicionamiento de endoscopio a partir de la determinación de la posición de una herramienta quirúrgica en una imagen de vídeo, en el que la herramienta lleva un marcador de color. La detección del marcador de color permite la determinación de la herramienta sobre la imagen de vídeo. Un inconveniente de dicho procedimiento es que es necesario modificar la herramienta quirúrgica para aplicarle un marcador de color, lo cual presenta un coste importante. Además, la detección de la herramienta es imposible en cuanto el marcador de color asociado ya no es visible en la imagen del vídeo. La publicación de Doignon et al. titulada Real-time segmentation of surgical instruments inside the abdominal cavity 2 E07731640 25-11-2011   using a joint hue saturation color feature, Real-Time Imaging, Vol. 11, pags. 429-442, 2005; y la publicación de Windisch et al. titulada Bayesian Differentiation of Multi-scale Line-Structure for Model-Free Instrument Segmentation in Thoracoscopic Images, Proc Second Intl. Conf. on Image Analysis and Recognition, Lecture Notes in Computer Science, Vol. 3656, pag. 938, 2005, describen otros métodos de análisis que pretenden detectar una herramienta quirúrgica en una imagen. No obstante, estos métodos implican cálculos particularmente complejos. Sumario de la invención La presente invención pretende evitar la totalidad o parte de los inconvenientes citados anteriormente. Más particularmente, la presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo de detección de herramientas quirúrgicas en imágenes proporcionadas por un sistema médico de formación de imágenes que no necesiten ninguna modificación de las herramientas quirúrgicas utilizadas de forma clásica durante una intervención quirúrgica. Según otro objeto de la presente invención, la detección de las herramientas quirúrgicas se realiza en tiempo real. Para alcanzar estos objetivos, la presente invención prevé un dispositivo de detección de una herramienta quirúrgica en una imagen, pasando dicha herramienta quirúrgica por una incisión practicada a nivel de la piel o de un órgano de un paciente, comprendiendo el dispositivo un medio de memorización de parámetros de forma de la herramienta quirúrgica; un medio de determinación de la posición de la proyección de la incisión en el plano de la imagen; y un medio de determinación de puntos y/o rectas característicos de la proyección de la herramienta quirúrgica sobre la imagen a partir de los parámetros de forma y de la posición de la proyección de la incisión. Según un ejemplo de realización de la presente invención, el dispositivo comprende unos medios de adquisición de una primera y una segunda imagen de la incisión; unos medios de determinación de una primera posición de un punto de la proyección de la incisión sobre la primera imagen y una segunda posición de dicho punto sobre la segunda imagen; y unos medios de determinación de la posición de dicho punto con respecto al paciente a partir de la primera y de la segunda posición. Según un ejemplo de realización de la presente invención, la herramienta quirúrgica tiene una forma alargada, correspondiendo los bordes laterales de la proyección de la herramienta en el plano de la imagen a rectas, estando el medio de determinación de los puntos y/o rectas característicos está adaptado para determinar un conjunto de píxeles de la imagen tal que, para cada píxel del conjunto de píxeles, el gradiente de una función que depende del color del píxel es superior a un umbral; y para seleccionar cada píxel para el cual la recta que pasa por el píxel y perpendicular al gradiente pasa a nivel de la proyección de la incisión en el plano de la imagen. Según un ejemplo de realización de la presente invención, el medio de determinación de los puntos y/o rectas característicos está adaptado para determinar el eje de simetría de la proyección de la herramienta quirúrgica sobre la imagen a partir de los píxeles seleccionados; para determinar los píxeles del eje de simetría que pertenece a la proyección de la herramienta... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de detección de una herramienta quirúrgica (94, 95) en una imagen (106), pasando dicha herramienta quirúrgica por una incisión (92, 93) practicada a nivel de la piel (14) o de un órgano de un paciente, comprendiendo el dispositivo: un medio de memorización (28) de parámetros de forma de la herramienta quirúrgica; un medio de determinación (28) de la posición de la proyección (O1, O2) de la incisión en el plano de la imagen (PI); y un medio de análisis (28) de la imagen para detectar, teniendo en cuenta los parámetros de forma y de la posición de la proyección de la incisión, unos puntos y/o rectas característicos (D1, D1, D2, D2, M1, M2, S1, S2) de la proyección de la herramienta quirúrgica sobre la imagen. 2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el medio de análisis (28) de la imagen está adaptado para: determinar, teniendo en cuenta los parámetros de forma, unos conjuntos de píxeles (Pix) de la imagen (106) susceptibles de corresponder a unos puntos y/o rectas característicos de la proyección de la herramienta quirúrgica sobre la imagen; y seleccionar unos conjuntos de píxeles pertinentes teniendo en cuenta la posición de la proyección de la incisión. 3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, que comprende: un medio de adquisición (12, 17, 20, 24) de la imagen; y un medio de calibrado de dicho medio de adquisición. 4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende: un medio de determinación (28) de la posición de la incisión (92, 93) con respecto al paciente; y un medio de determinación (28) de la posición de la proyección (O1, O2) de la incisión en el plano de la imagen (PI) a partir de la posición de la incisión (92, 93) con respecto al paciente. 5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende: unos medios de adquisición (12, 17, 20, 24) de una primera y una segunda imagen de la incisión (94, 95); unos medios de determinación de una primera posición de un punto de la proyección de la incisión sobre la primera imagen y una segunda posición de dicho punto sobre la segunda imagen; y unos medios de determinación de la posición de dicho punto con respecto al paciente a partir de la primera y de la segunda posición. 6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la herramienta quirúrgica (94, 95) tiene una forma alargada, correspondiendo los bordes laterales de la proyección de la herramienta en el plano de la imagen (PI) a unas rectas (D1, D1, D2, D2), estando adaptado el medio de determinación (28) de los puntos y/o rectas característicos (D1, D1, D2, D2, M1, M2, S1, S2) para: determinar un conjunto de píxeles (Pix) de la imagen (106) tal que, para cada píxel del conjunto de píxeles, el gradiente (Grad (F)) de una función que depende del color del píxel es superior a un umbral; y seleccionar cada píxel para el cual la recta (D) que pasa por el píxel y perpendicular al gradiente pasa a nivel de la proyección (O1, O2) de la incisión (92, 93) en el plano de la imagen. 7. Dispositivo según la reivindicación 6, en el que el medio de determinación (28) de los puntos y/o rectas característicos (D1, D1, D2, D2 M1, M2, S1, S2) está adaptado para: determinar el eje de simetría (M1, M2) de la proyección de la herramienta quirúrgica (94, 95) sobre la imagen (106) a partir de los píxeles seleccionados; determinar los píxeles del eje de simetría que pertenecen a la proyección de la herramienta sobre la imagen; y 11 E07731640 25-11-2011   determinar el píxel del eje de simetría correspondiente al extremo de la herramienta (S1, S2). 8. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que el medio de determinación (28) de puntos y/o rectas característicos (D1, D1, D2, D2 M1, M2, S1, S2) está adaptado para: determinar, entre los píxeles seleccionados, el conjunto de píxeles tales que, para cada par de píxeles del conjunto de píxeles, la mediatriz del par pase a nivel de la proyección (O1, O2) de la incisión (92, 93) en el plano de la imagen (PI); clasificar las mediatrices en grupos de mediatrices adyacentes; y determinar el eje de simetría (M1, M2) a partir del grupo de mediatrices que contiene el número más grande de mediatrices. 9. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que el medio de determinación (28) de puntos y/o rectas característicos (D1, D1, D2, D2 M1, M2, S1, S2) está adaptado para: atribuir a cada píxel del eje de simetría (M1, M2) una clase de color de entre una primera o una segunda clase de color; seleccionar un primer grupo de píxeles adyacentes que contiene el número más grande de píxeles adyacentes de la primera clase de color y un segundo grupo de píxeles adyacentes que contiene el número más grande de píxeles adyacentes de la segunda clase de color; y seleccionar, de entre el primer o el segundo grupo de píxeles, el grupo de píxeles más próximo a la proyección (O1, O2) de la incisión (92, 93) en el plano de la imagen (PI). 10. Dispositivo (5) de control de un sistema de posicionamiento (10) de un medio de adquisición (12, 17) de imágenes (106) de un paciente a nivel del cual al menos se ha practicado una incisión (92, 93) para el paso de una herramienta (94, 95), comprendiendo el dispositivo de control: un medio de suministro (36, 38) de instrucciones emitidas por un usuario; un dispositivo de detección (28) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9; y un medio de suministro (28, 30) de señales de control al sistema de posicionamiento a partir de los puntos y/o rectas característicos (D1, D1, D2, D2 M1, M2, S1, S2) de la herramienta quirúrgica proporcionados por el dispositivo de detección y de las instrucciones facilitadas por el medio de suministro de instrucciones. 11. Dispositivo de control según la reivindicación 10, en el que el medio de adquisición de imágenes comprende un endoscopio (12) y una cámara (17). 12. Procedimiento de detección de una herramienta quirúrgica (94, 95) en una imagen (106), pasando dicha herramienta por una incisión (92, 93) practicada a nivel de la piel (14) o de un órgano de un paciente, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes: a) memorizar parámetros de forma de la herramienta quirúrgica; b) determinar la posición de la proyección (O1, O2) de la incisión en el plano de la imagen (PI); y c) después de la etapa b), analizar la imagen para detectar, teniendo en cuenta los parámetros de forma y de la posición de la proyección de la incisión, unos puntos y/o rectas característicos (D1, D1, D2, D2 M1, M2, S1, S2) de la proyección de la herramienta quirúrgica sobre la imagen. 13. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que la etapa que consiste en determinar la posición de la proyección (O1, O2) de la incisión en el plano de la imagen (PI) comprende las etapas siguientes: determinar la posición de la incisión (92, 93) con respecto al paciente; y determinar la posición de la proyección (O1, O2) de la incisión en el plano de la imagen (PI) a partir de la posición de la incisión (92, 93) con respecto al paciente. 14. Procedimiento según la reivindicación 12 ó 13, en el que la etapa que consiste en determinar la posición de la proyección (O1, O2) de la incisión en el plano de la imagen (PI) se realiza con ayuda de un medio de adquisición (12, 17, 20, 24) de imágenes, comprendiendo el procedimiento una etapa previa de calibrado del medio de adquisición. 12 E07731640 25-11-2011   15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en el que la herramienta quirúrgica (94, 95) tiene una forma alargada, correspondiendo los bordes laterales de la proyección de la herramienta en el plano de la imagen (PI) a unas rectas (D1, D1, D2, D2 M1, M2, S1, S2), comprendiendo además el procedimiento las etapas siguientes: determinar un conjunto de píxeles (Pix) de la imagen (106) tal que, para cada píxel del conjunto de píxeles, el gradiente (Grad (F)) de una función que depende del color del píxel es superior a un umbral; y seleccionar cada píxel para el cual la recta (D) que pasa por el píxel y perpendicular al gradiente pasa a nivel de la proyección (O1, O2) de la incisión (92, 93) en el plano de la imagen. 13 E07731640 25-11-2011   14 E07731640 25-11-2011   E07731640 25-11-2011