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En cirugía, la visualización 3D se puede utilizar para la educación, el diagnóstico, la planificación preoperatoria y la evaluación postoperatoria1,2. La percepción realista de la profundidad puede mejorar la comprensión3,4,5,6 de las anatomías normales y anormales. Las grabaciones de video 2D simples de procedimientos quirúrgicos son un buen comienzo. Sin embargo, la falta de percepción de profundidad puede dificultar que los colegas no quirúrgicos comprendan completamente las relaciones antero-posteriores entre diferentes estructuras anatómicas y, por lo tanto, también introducir un riesgo de mala interpretación de la anatomía7,8,9,10.
La experiencia de visualización en 3D se ve afectada por cinco factores: (1) La configuración de la cámara puede ser paralela o toed-in como se muestra en la Figura 1, (2) Distancia de referencia (la separación entre las cámaras). (3) Distancia al objeto de interés y otras características de la escena, como el fondo. (4) Características de los dispositivos de visualización, como el tamaño de la pantalla y la posición de visualización1,11,12,13. (5) Preferencias individuales de los espectadores14,15.
El diseño de una configuración de cámara 3D comienza con la captura de videos de prueba grabados a varias distancias de referencia de la cámara y configuraciones que se utilizarán para la evaluación subjetiva o automática16,17,18,19,20. La distancia de la cámara debe ser constante al campo quirúrgico para capturar imágenes nítidas. Se prefiere el enfoque fijo porque el enfoque automático se ajustará para enfocar las manos, los instrumentos o las cabezas que puedan aparecer a la vista. Sin embargo, esto no es fácilmente alcanzable cuando la escena de interés es el campo quirúrgico. Los quirófanos son áreas de acceso restringido porque estas instalaciones deben mantenerse limpias y estériles. El equipo técnico, los cirujanos y las enfermeras de fregado a menudo se agrupan estrechamente alrededor del paciente para garantizar una buena visión general visual y un flujo de trabajo eficiente. Para comparar y evaluar el efecto de las posiciones de la cámara en la experiencia de visualización 3D, un rango de prueba completo de posiciones de cámara debe ser la grabación de la misma escena, ya que las características del objeto, como la forma, el tamaño y el color, pueden afectar la experiencia de visualización 3D21.
Por la misma razón, los rangos de prueba completos de las posiciones de la cámara deben repetirse en diferentes procedimientos quirúrgicos. Toda la secuencia de posiciones debe repetirse con alta precisión. En un entorno quirúrgico, los métodos existentes que requieren el ajuste manual de la distancia basal22 o diferentes pares de cámaras con distancias basales fijas23 no son factibles debido a limitaciones de espacio y tiempo. Para hacer frente a este desafío, se diseñó esta solución robotizada.
Los datos se recogieron con un robot industrial colaborativo de doble brazo montado en el techo del quirófano. Las cámaras se conectaron a las muñecas del robot y se movieron a lo largo de una trayectoria en forma de arco con una distancia de referencia creciente, como se muestra en la Figura 2.
Para demostrar el enfoque, se registraron 10 series de pruebas de 4 pacientes diferentes con 4 defectos cardíacos congénitos diferentes. Se eligieron escenas cuando era factible una pausa en la cirugía: con los corazones latiendo justo antes y después de la reparación quirúrgica. También se hicieron series cuando los corazones fueron arrestados. Las cirugías se detuvieron durante 3 minutos y 20 s para recolectar cuarenta secuencias de 5 con diferentes distancias de convergencia de la cámara y distancias de referencia para capturar la escena. Los videos fueron posteriormente postprocesados, mostrados en 3D para el equipo clínico, que calificó cuán realista era el video 3D a lo largo de una escala de 0 a 5.
El punto de convergencia para las cámaras estéreo es donde se encuentran los puntos centrales de ambas imágenes. El punto de convergencia puede, por principio, colocarse delante, dentro o detrás del objeto, véase la Figura 1A-C. Cuando el punto de convergencia está frente al objeto, el objeto se capturará y se mostrará a la izquierda de la línea media para la imagen de la cámara izquierda y a la derecha de la línea media para la imagen de la cámara derecha (Figura 1A). Lo contrario se aplica cuando el punto de convergencia está detrás del objeto (Figura 1B). Cuando el punto de convergencia está en el objeto, el objeto también aparecerá en la línea media de las imágenes de la cámara (Figura 1C), lo que presumiblemente debería producir la visualización más cómoda ya que no se requiere entrecerrar los ojos para fusionar las imágenes. Para lograr un video 3D estéreo cómodo, el punto de convergencia debe ubicarse en, o ligeramente detrás, del objeto de interés, de lo contrario se requiere que el espectador entrecierre voluntariamente los ojos hacia afuera (exotropía).
Los datos se recopilaron utilizando un robot industrial colaborativo de doble brazo para posicionar las cámaras (Figura 2A-B). El robot pesa 38 kg sin equipo. El robot es intrínsecamente seguro; cuando detecta un impacto inesperado, deja de moverse. El robot fue programado para posicionar las cámaras de 5 megapíxeles con lentes de montura C a lo largo de una trayectoria en forma de arco que se detiene a distancias de referencia predeterminadas (Figura 2C). Las cámaras se conectaron a las manos del robot utilizando placas adaptadoras, como se muestra en la Figura 3. Cada cámara grabó a 25 fotogramas por segundo. Las lentes se ajustaron en f-stop 1/8 con el enfoque fijo en el objeto de interés (centro geométrico aproximado del corazón). Cada fotograma de imagen tenía una marca de tiempo que se usaba para sincronizar las dos secuencias de vídeo.
Se calibraron los desplazamientos entre la muñeca del robot y la cámara. Esto se puede lograr alineando el punto de mira de las imágenes de la cámara, como se muestra en la Figura 4. En esta configuración, el desplazamiento traslacional total desde el punto de montaje en la muñeca del robot y el centro del sensor de imagen de la cámara fue de 55,3 mm en la dirección X y 21,2 mm en la dirección Z, que se muestra en la Figura 5. Los desplazamientos rotacionales se calibraron a una distancia de convergencia de 1100 mm y una distancia de referencia de 50 mm y se ajustaron manualmente con el joystick en el panel de control del robot. El robot en este estudio tenía una precisión especificada de 0,02 mm en el espacio cartesiano y una resolución rotacional de 0,01 grados24. En un radio de 1100 m, una diferencia de ángulo de 0,01 grados compensa el punto central 0,2 mm. Durante el movimiento completo del robot de separación de 50-240 mm, la cruz de cada cámara estaba a 2 mm del centro ideal de convergencia.
La distancia de referencia se incrementó paso a paso mediante la separación simétrica de las cámaras alrededor del centro del campo de visión en incrementos de 10 mm que oscilan entre 50 y 240 mm (Figura 2). Las cámaras se mantuvieron detenidas durante 5 s en cada posición y se movieron entre las posiciones a una velocidad de 50 mm/s. El punto de convergencia podría ajustarse en direcciones X y Z utilizando una interfaz gráfica de usuario (Figura 6). El robot siguió en consecuencia dentro de su rango de trabajo.
La precisión del punto de convergencia se estimó utilizando los triángulos uniformes y los nombres de las variables de las figuras 7A y B. La altura 'z' se calculó a partir de la distancia de convergencia 'R' con el teorema de Pitágoras como

Cuando el punto de convergencia real estaba más cerca que el punto deseado, como se muestra en la Figura 7A, la distancia de error 'f1' se calculó como

Del mismo modo, cuando el punto de convergencia era distal al punto deseado, la distancia de error 'f2' se calculó como

Aquí, 'e' fue la separación máxima entre los puntos de mira, como máximo 2 mm en la separación basal máxima durante la calibración (D = 240 mm). Para R = 1100 mm (z = 1093 mm), el error fue menor que ± 9,2 mm. Para R = 1400 mm (z = 1395 mm), el error fue ± 11,7 mm. Es decir, el error de la colocación del punto de convergencia estuvo dentro del 1% del deseado. Por lo tanto, las dos distancias de prueba de 1100 mm y 1400 mm estaban bien separadas.