Name: Abordagem técnica para rastreamento infravermelho para navegação de tecidos moles com um display holográfico montado na cabeça e validação pré-clínica (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-09-02T14:15:00.000+00:00
Duration: 10 min 25 s
Description: Aprenda a validar sistemas de realidade aumentada para órgãos em movimento usando rastreamento infravermelho e holografia. Este protocolo demonstra alinhamento preciso de hologramas com modelos dinâmicos em ambiente pré-clínico.

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</ol>

<table><tbody><tr><td>Segmentação 3D (v5.6.2)</td><td>Cortador</td><td>N/A</td><td>Software de segmentação de imagens médicas e necessário para validação de rastreamento eletromagnético</td></tr><tr><td>Marcadores M3 de 6,4 mm (1/4") Marcadores Infrarec</td><td>OptiTrack</td><td>N/A</td><td>Esferas reflexivas infravermelhas que devem ser anexadas ao marcador para rastreamento&nbsp;</td></tr><tr><td>Autodesk Fusion 360 (v2.0.21508)</td><td>Autodesk</td><td>N/A</td><td>Software CAD para projetar marcadores infravermelhos e simuladores</td></tr><tr><td>Estúdio Bambu (v01.09.07.52)</td><td>Laboratório Bambu</td><td>N/A</td><td>Software de fatiamento de impressão 3D para impressoras 3D Bambu</td></tr><tr><td>Bambu X1 Carbono</td><td>Laboratório Bambu</td><td>N/A</td><td>Impressora 3D usada para marcadores infravermelhos e modelos fantasmas</td></tr><tr><td>HoloLens 2</td><td>Microsoft</td><td>N/A</td><td>Head-Mounted Display de Realidade Aumentada para visualização AR</td></tr><tr><td>IRTrackingOrgans_HoloLens&nbsp;</td><td>Código aberto</td><td>N/A</td><td>Aplicativo baseado em Unity com suporte ao rastreamento de marcadores IR</td></tr><tr><td>MeshMixer (v3.5.0)</td><td>Autodesk</td><td>N/A</td><td>Usado para edição de malha e redução de polígonos</td></tr><tr><td>NDI Aurora</td><td>Norte Digital Inc.</td><td>N/A</td><td>Sistema de rastreamento eletromagnético para validação</td></tr><tr><td>Ferramenta de cabo NDI Aurora 6DOF</td><td>Norte Digital Inc.</td><td>N/A</td><td>Sensor para registro de movimento de órgãos fantasmas</td></tr><tr><td>Sonda NDI Aurora 6DOF</td><td>Norte Digital Inc.</td><td>N/A</td><td>Usado para identificar locais de referência no fantasma</td></tr><tr><td>Filamento de ácido polilático</td><td>Qualquer fabricante</td><td>N/A</td><td>Filamento para impressão de peças rígidas como marcadores infravermelhos</td></tr><tr><td>Filamento de poliuretano termoplástico</td><td>Qualquer fabricante</td><td>N/A</td><td>Filamento semi-flexível para impressão de simulador de rim deformável</td></tr><tr><td>Hub do Unity (v3.11.1) e Unity (v2019.4.22f1)</td><td>Tecnologias Unity</td><td>N/A</td><td>Software de desenvolvimento de jogos para desenvolvimento e implantação de aplicativos de RA</td></tr><tr><td>Visual Studio 2019</td><td>Microsoft</td><td>N/A</td><td>IDE necessário para integração e implantação do Unity</td></tr></tbody></table>

abordagem técnica para rastreamento infravermelho para navegação de tecidos moles com um display holográfico montado na cabeça e validação pré-clínica

Technical Approach for Infrared Tracking for Soft Tissue Navigation with a Holographic Head-Mounted Display and Preclinical Validation

Um simulador de rim foi usado para demonstrar o desempenho do sistema de rastreamento infravermelho para rastreamento de órgãos e para validar a configuração de validação holográfica em órgãos em movimento. O fluxo de trabalho completo é descrito na Figura 1.
Primeiro, o rim foi segmentado semiautomaticamente com base nos dados de ressonância magnética usando a ferramenta de limiar no 3DSlicer. O modelo 3D resultante foi exportado e importado para o software CAD 3D para reduzir a contagem de polígonos. Um segundo modelo foi salvo e cinco pontos-alvo foram integrados a este modelo usando a ferramenta esfera (Figura 2). Este modelo foi utilizado para a validação técnica do display holográfico. A primeira versão do modelo, sem pontos de destino, foi importada para o Autodesk Fusion. Cinco pontos de pivô foram integrados a este modelo, e o cilindro foi integrado para facilitar o sensor EM. Usando o software de fatiamento 3D, o modelo 3D foi preparado para impressão 3D. TPU com densidade de impressão de 8% foi usado para criar uma superfície renal minimamente flexível.
Um marcador infravermelho padronizado foi projetado, impresso em 3D e equipado com esferas reflexivas infravermelhas (6,4 mm de diâmetro). A partir desse marcador infravermelho, as coordenadas do marcador infravermelho foram medidas em correlação com o ponto central. Dentro do aplicativo de software de desenvolvimento de jogos, o arquivo JSON contendo as coordenadas do marcador infravermelho foi importado. Em segundo lugar, o modelo 3D do rim foi importado, com pontos-alvo para fins de validação. Além disso, para fins de visualização, o modelo de marcador infravermelho foi importado e traduzido para a posição dos pontos implementados pelo arquivo JSON. O modelo 3D foi transformado no centro do marcador infravermelho (Figura 3) e sombreadores adicionais foram aplicados. Após a integração da cena do menu do paciente, o aplicativo foi implantado no HMD.
Com base na colocação dos marcadores IR, o modelo 3D holográfico é visualizado no rim dentro de um simulador abdominal pediátrico usando o HMD (Figura 4). Tinha uma taxa de rastreamento de 11,6 Hz. No entanto, para distâncias superiores a 60 cm, o HMD perde a capacidade de rastrear os marcadores infravermelhos. Em segundo lugar, o rastreamento contínuo e o ruído no rastreamento de marcação infravermelha fazem com que a sobreposição holográfica pisque, resultando em visualização imprecisa.
Para fins de validação, o sistema de rastreamento EM foi conectado ao 3D Slicer por meio do Plus Server. Um sensor EM foi colocado no rim fantasma para rastreamento (Figura 2). Após o registro baseado em pontos, o modelo 3D foi registrado com uma precisão mediana de 0,59 mm, o que provou ser um método preciso para validar a precisão holográfica (Figura 5). A mediana do erro de localização pontual foi de 8,74 mm (intervalo interquartil: 6,38 - 10,85), com base na contribuição de três cirurgiões (Tabela 1).
A implementação deste sistema de rastreamento e visualização de AR envolve um protocolo que abrange aproximadamente 45-60 min. Um médico técnico experiente com 2 anos de experiência executou todo o protocolo uma vez para determinar a duração das etapas individuais do protocolo. Notavelmente, certas etapas só precisam ser executadas uma vez. As etapas essenciais para cada paciente incluem segmentação, integração de modelos no software de desenvolvimento de jogos e configuração de cenas. A segmentação de estruturas anatômicas em casos específicos do paciente requer relativamente mais tempo devido às múltiplas estruturas anatômicas envolvidas, mas a segmentação do parênquima renal e do tumor pode ser concluída em 30 minutos. A integração dos modelos 3D segmentados no aplicativo e o alinhamento com o marcador infravermelho levam aproximadamente 5 minutos de ajustes manuais. Conectar a cena correta não requer mais de 5 minutos. O tempo de build do projeto de desenvolvimento de jogos varia de acordo com as especificações de hardware, mas normalmente leva cerca de 3 minutos, seguido por aproximadamente 10 minutos para implantação no HoloLens 2. No geral, excluindo a configuração de validação, este protocolo demonstra um método para mover o rastreamento de órgãos em ambientes pré-clínicos.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig1.jpg"> 
Figura 1: Visão geral esquemática do fluxo de trabalho. O fluxo de trabalho mostra as etapas necessárias por paciente em uma configuração fantasma, incluindo a fase pré-operatória, as fases holográfica e intraoperatória. A fase pré-operatória consiste na segmentação (ver etapa 3) das imagens médicas pré-operatórias. A preparação da aplicação holográfica consiste em planejar virtualmente o posicionamento do marcador infravermelho no modelo 3D (consulte a etapa 4). Na fase intraoperatória, os cirurgiões podem selecionar o paciente correto e fixar o marcador infravermelho para visualização holográfica e rastreamento contínuo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig2.jpg"> 
Figura 2: Visão geral dos simuladores renais usados na metodologia de validação. Esquerda: um holograma 3D do rim com os pontos-alvo e a colocação virtual do marcador infravermelho. Meio: Phantom 3D com sensor EM integrado e pontos de pivô para registro. Direita: Simulador impresso em 3D, com o marcador infravermelho e o cilindro para o sensor EM, usado para o procedimento de validação. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig3.jpg"> 
Figura 3: Preparação do aplicativo holográfico no software de desenvolvimento do jogo. O modelo de rim é transformado em um marcador infravermelho. Em segundo lugar, os shaders são aplicados ao rim e aos pontos-alvo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig4.jpg"> 
Figura 4: Visualização holográfica do experimento fantasma. Esquerda: Colocação do marcador infravermelho no rim. Direita: Visualização holográfica de pontos de destino na ordem correta (1 a 5). O deslocamento da visualização holográfica é causado pelo jitter no rastreamento do marcador infravermelho. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig5.jpg"> 
Figura 5: Configuração do protocolo de validação de rastreamento EM para visualização holográfica de órgãos em movimento. Verde, Vermelho e Azul visualizam a transformação das ferramentas EM necessárias para validação. Amarelo e verde visualizam a transformação em relação ao Head-Mounted Display (HMD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Participante</td>
			<td>Medição</td>
			<td>GT-X (mm)</td>
			<td>GT-Y (mm)</td>
			<td>GT-Z (mm)</td>
			<td>Ponto-X (mm)</td>
			<td>Ponto-Y (mm)</td>
			<td>Ponto-Z (mm)</td>
			<td>PLE (milímetro)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cirurgião 1</td>
			<td>1</td>
			<td>-67.02</td>
			<td>7.88</td>
			<td>297.50</td>
			<td>-76.72</td>
			<td>8.97</td>
			<td>295.49</td>
			<td>9.97</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>-46.77</td>
			<td>4.78</td>
			<td>249.67</td>
			<td>-55.71</td>
			<td>-0.26</td>
			<td>243.61</td>
			<td>11.91</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>-3.21</td>
			<td>-12.36</td>
			<td>244.46</td>
			<td>-9.99</td>
			<td>-3.03</td>
			<td>244.83</td>
			<td>11.54</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4</td>
			<td>-15.06</td>
			<td>1.16</td>
			<td>273.72</td>
			<td>-20.00</td>
			<td>2.71</td>
			<td>272.70</td>
			<td>5.27</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5</td>
			<td>-39.00</td>
			<td>5.40</td>
			<td>281.25</td>
			<td>-46.82</td>
			<td>6.91</td>
			<td>277.75</td>
			<td>8.70</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cirurgião 2</td>
			<td>1</td>
			<td>-67.02</td>
			<td>7.88</td>
			<td>297.50</td>
			<td>-63.60</td>
			<td>8.02</td>
			<td>292.12</td>
			<td>6.38</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>-46.77</td>
			<td>4.78</td>
			<td>249.67</td>
			<td>-45.94</td>
			<td>2.73</td>
			<td>246.98</td>
			<td>3.48</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>-3.21</td>
			<td>-12.36</td>
			<td>244.46</td>
			<td>-5.43</td>
			<td>-10.70</td>
			<td>244.27</td>
			<td>2.78</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4</td>
			<td>-15.06</td>
			<td>1.16</td>
			<td>273.72</td>
			<td>-11.87</td>
			<td>0.80</td>
			<td>267.51</td>
			<td>7.00</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5</td>
			<td>-39.00</td>
			<td>5.40</td>
			<td>281.25</td>
			<td>-35.54</td>
			<td>5.82</td>
			<td>273.28</td>
			<td>8.70</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cirurgião 3</td>
			<td>1</td>
			<td>-67.02</td>
			<td>7.88</td>
			<td>297.50</td>
			<td>-62.97</td>
			<td>7.87</td>
			<td>287.43</td>
			<td>10.85</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>-46.77</td>
			<td>4.78</td>
			<td>249.67</td>
			<td>-44.59</td>
			<td>-0.42</td>
			<td>242.70</td>
			<td>8.96</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>-3.21</td>
			<td>-12.36</td>
			<td>244.46</td>
			<td>2.23</td>
			<td>-20.32</td>
			<td>253.48</td>
			<td>13.20</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4</td>
			<td>-15.06</td>
			<td>1.16</td>
			<td>273.72</td>
			<td>-10.73</td>
			<td>1.33</td>
			<td>266.14</td>
			<td>8.74</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5</td>
			<td>-39.00</td>
			<td>5.40</td>
			<td>281.25</td>
			<td>-34.95</td>
			<td>5.93</td>
			<td>271.74</td>
			<td>10.35</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Para cada medição, são fornecidas as coordenadas de verdade do solo (GT) dos pontos de referência alvo, suas coordenadas de localização de ponto correspondentes e o PLE medido para todos os cirurgiões.

Abordagem técnica para rastreamento infravermelho para navegação de tecidos moles com um display holográfico montado na cabeça e validação pré-clínica

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A imagem de fluorescência no infravermelho próximo (NIRF) pode melhorar o resultado terapêutico da cirurgia de câncer de mama, permitindo a localização intraoperatória do tumor e a avaliação do estado da margem cirúrgica. Usando simuladores de mama que simulam tecidos contendo inclusões fluorescentes que simulam tumores, as possíveis aplicações clínicas da imagem NIRF em pacientes com câncer de mama podem ser avaliadas para fins de padronização e treinamento.

Phantoms Tissue-simulação para avaliação de potenciais aplicações de fluorescência de imagem infravermelho próximo na cirurgia do câncer de mama

Fornecemos aqui uma descrição detalhada do protocolo experimental para imagens com um sistema optoacústico (fotoacústico) portátil recém-desenvolvido para imagens tridimensionais funcionais e moleculares em tempo real. O poderoso desempenho e versatilidade demonstrados podem definir novas áreas de aplicação da tecnologia optoacústica na pesquisa pré-clínica e na prática clínica.

Universal de mão tridimensional Optoacoustic imagem Sonda para Deep Tissue Angiografia Humano e Estudos pré-clínicos funcionais em Tempo Real

Precisa e eficiente visualização dos dispositivos médicos invasivos é extremamente importante em muitos procedimentos minimamente invasivos guiados por ultra-som. Aqui, um método para localizar a posição espacial de uma ponta da agulha em relação a sonda de ultra-som de imagem é apresentado.

Agulha de ultra-som tridimensional dica de rastreamento com um receptor de ultra-som de fibra óptica

Desenvolvemos um microscópio holográfico de dois fótons capaz de visualizar, avaliar e manipular a atividade neural usando alta resolução espaço-temporal, com o objetivo de elucidar a patogênese de transtornos neuropsiquiátricos associados à atividade neural anormal.

Avaliação e manipulação da atividade neural utilizando microscopia holográfica de dois fótons

O display de realidade aumentada montado na cabeça, Magic Leap, foi usado em combinação com um sistema de navegação convencional para colocar parafusos pediculares em um modelo porcino, aderindo a um novo fluxo de trabalho. Com mediana de tempo de inserção de &lt;2,5 min, obteve-se acurácia técnica submilimétrica e 100% de acurácia clínica, segundo Gertzbein.

Colocação de parafuso pedicular usando um display de realidade aumentada montado na cabeça em um modelo suíno

A estimulação ultrassônica transcraniana (UST) é uma técnica emergente de neuromodulação não invasiva que requer um planejamento cuidadoso de simulações acústicas e térmicas. A metodologia descreve um pipeline de processamento de imagem e simulação de ultrassom para um planejamento eficiente, fácil de usar e simplificado para experimentação de TUS humano.

Pipeline para Planejamento e Execução de Experimentos de Neuromodulação por Ultrassom Transcraniano em Humanos

Este protocolo descreve o método de colocação de eletrodos neuronavegados para estimulação focal transcraniana por corrente contínua (ETCC) administrada durante a ressonância magnética funcional (fMRI).

Estimulação Transcraniana Focalizada por Corrente Contínua Neuronavegada Administrada Durante a Ressonância Magnética Funcional

Aqui, descrevemos um protocolo padronizado para mapeamento motor usando nTMS combinado com a reconstrução do trato corticoespinhal (CST) baseada em imagem tensorial de difusão (DTI). O protocolo é reproduzível, clinicamente viável e facilmente integrável aos fluxos de trabalho clínicos rotineiros, fornecendo uma estrutura robusta e valiosa para avaliação de vias motoras, pesquisa em neuroplasticidade e planejamento de reabilitação.

Um Protocolo Padronizado para Mapeamento Motor Funcional Usando Estimulação Magnética Transcraniana Navegada

Aprenda a validar sistemas de realidade aumentada para órgãos em movimento usando rastreamento infravermelho e holografia. Este protocolo demonstra alinhamento preciso de hologramas com modelos dinâmicos em ambiente pré-clínico.

Abordagem técnica para rastreamento infravermelho para navegação de tecidos moles com um display holográfico montado na cabeça e validação pré-clínica (Vídeo) | JoVE Journal

Abordagem técnica para rastreamento infravermelho para navegação de tecidos moles com um display holográfico montado na cabeça e validação pré-clínica

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