Contexto clínico

La Cirugía de Mínima Invasión (CMI) es una técnica quirúrgica que se practica a través de orificios naturales o pequeñas incisiones, usando la asistencia de una cámara de video que permite al equipo médico ver el campo quirúrgico dentro del paciente y actuar en el mismo. Las ventajas de estas técnicas para el paciente son conocidas: menor trauma tisular y menor riesgo de complicaciones intra- y postoperatorias, que conllevan una reducción del dolor y del tiempo de recuperación, así como una mejora en el resultado cosmético. Esto se traduce, a su vez, en un ahorro de costes hospitalarios. Por otra parte, este tipo de intervenciones llevan asociadas complicaciones en la realización de las técnicas quirúrgicas.  Aunque incrementan el detalle y se magnifica el campo de visión, se pierde la tercera dimensión debido a la visualización indirecta en un monitor. El tacto se modifica de forma sustancial por el tipo de instrumentos empleados, con la pérdida de la sensibilidad estereognóstica (reconocimiento de objetos por el tacto). A su vez, los movimientos requeridos para la realización de cualquier maniobra quirúrgica son muy diferentes con respecto a la cirugía convencional: la movilidad del instrumental queda restringida e invertida puesto que se sufre un efecto de fulcro de la herramienta sobre el punto de trócar. Este efecto repercute directamente sobre la coordinación ojo-mano del cirujano, que debe ser reentrenada para adaptarse a este nuevo paradigma.

A estas limitaciones hay que añadir la limitación, común con la cirugía abierta, de que el cirujano sólo puede observar la superficie de los órganos, mientras que en muchas ocasiones la región de interés se encuentra en el interior de éstos. Para superar estas limitaciones y aumentar las capacidades de los cirujanos, se introducen en el quirófano nuevas tecnologías dando lugar a las  técnicas conocidas como cirugía guiada por imagen y/o cirugía asistida por ordenador.

Contexto tecnológico

La cirugía guiada por imagen (CGI) es el término genérico usado para cualquier procedimiento donde el cirujano usa instrumental quirúrgico localizado espacialmente, junto con imágenes médicas preoperatorias o intraoperatorias (y/o modelos virtuales generados a partir de ellas) para guiar el procedimiento quirúrgico. Los sistemas de cirugía guiada por imagen usan sistemas de posicionamiento mecánicos, ópticos, acústicos y/o electromagnéticos para capturar la anatomía del paciente y relacionar los movimientos del cirujano con ésta, permitiendo la visualización en pantallas dentro del quirófano.

La cirugía robótica o cirugía asistida robóticamente (CAR) son términos usados para referirse a desarrollos tecnológicos que usan sistemas robóticos para asistir en procedimientos quirúrgicos. En este caso, en vez de mover directamente el instrumental quirúrgico, el cirujano usa un tele-manipulador para controlar los instrumentos de forma remota.

Contexto docente

Tanto en el Grado de Ingeniería Biomédica (GIB) como en el Máster Universitario en Ingeniería Biomédica (MUIB) se ofrecen asignaturas relacionadas con la CGI y la CAR. Por un lado, en el GIB los alumnos tienen en el tercer curso una asignatura común de Imágenes Biomédicas, donde tienen unas prácticas de segmentación de imágenes médicas y creación de modelos 3D. Aquellos que optan por el itinerario de Imágenes Biomédicas tienen durante el cuarto curso una asignatura de Tratamiento Digital de Imágenes Biomédicas que profundiza en esos conocimientos, y la asignatura de Simulación y Planificación Quirúrgica, en la que los conceptos de CGI y CAR son el núcleo. Por otro lado, en el MUIB se cursa una asignatura de Imágenes Biomédicas, en la que se introducen los conceptos básicos del procesamiento de imágenes, y Cirugía Guiada por Imagen, que se centra en las tecnologías de navegación quirúrgica actuales.

Actualmente, las asignaturas relacionadas con CGI y CAR impartidas en el GIB y el MUIB de la Universidad Politécnica de Madrid tienen un enfoque mayoritariamente teórico. De esta manera, los alumnos no adquieren conocimientos prácticos a través de la utilización de los conceptos teóricos en el desarrollo de aplicaciones reales. Así, la metodología que se ha aplicado hasta ahora consta de unas sesiones en las que se presentan los conocimientos teóricos que se desea que adquiera el alumno, y en el mejor de los casos, unas sesiones prácticas guiadas en las que el alumno puede observar el resultado de aplicar esos conocimientos teóricos a un caso concreto.

Propuesta

Con este proyecto piloto, se pretende mejorar la motivación del alumnado, así como su autonomía, involucrándolo directamente en su formación mediante el uso de una metodología didáctica que parte de la idea del aprendizaje experimental, en el que el alumno aprende haciendo. El principal problema para el uso extensivo de metodologías pedagógicas más activas en la docencia de CGI radica en que estos sistemas, comerciales o en investigación, usan tecnologías excesivamente caras. Sin embargo, los conceptos básicos que subyacen pueden ser replicados en versiones simplificadas, sin tener que tener un objetivo clínico real ni por lo tanto restricciones de precisión y/o seguridad. Teniendo esto en mente, en este proyecto se pretende diseñar un entorno pedagógico en el que el alumno desarrolle, mediante la realización de un proyecto en equipo, una aplicación simple de cirugía robótica guiada por imagen utilizando realidad virtual y tecnologías de bajo coste integradas en un software open-source.

La realidad virtual (E3)es un componente básico de las aplicaciones de CGI, por lo que debe formar parte del núcleo del proyecto piloto propuesto. Con la metodología propuesta se promueve el desarrollo de elementos de realidad virtual 3D partiendo de un proyecto grupal, lo que integra diversas competencias genéricas de la UPM: el trabajo en equipo, la creatividad (se buscará y promoverá que cada proyecto sea único, y ofrezca soluciones diferentes para la visualización e interacción), competencias digitales y búsqueda de información.

Por otro lado, el enfoque principal de la asignatura (aunque no todas las sesiones) se fijará en el concepto de Aula Invertida (E1), en el que “la instrucción directa se realiza fuera del aula y el tiempo presencial se utiliza para desarrollar actividades de aprendizaje significativo y personalizado”. Se proveerá a los alumnos del material teórico, así como de ejemplos prácticos, de manera previa a las sesiones. Durante estas se busca el desarrollo en equipo de la aplicación, de manera que el profesor pueda ir ayudando a corregir en tiempo real los problemas que vayan surgiendo.

La finalidad de esta propuesta es conseguir una mayor motivación del alumnado, aumentando su participación en su propia formación y la personalización del aprendizaje. Se busca conseguir una formación más práctica, más profunda, y con un papel mucho más activo de los alumnos interesados en los conceptos tecnológicos asociados a la CGI y la CAR. Además, muchos de los conceptos son de gran interés en otras áreas del ámbito clínico, como por ejemplo en el desarrollo de  simuladores quirúrgicos donde la  realidad virtual es un pilar fundamental.

Los objetivos del presente proyecto de innovación educativa son los siguientes:

1. Aumentar la motivación del alumno al darle un papel principal en su propia formación.
2. Diseñar una metodología de formación eminentemente práctica para las asignaturas que involucran la CGI y la CAR.
3. Realizar un prototipo de entorno pedagógico de bajo coste que permita al alumno llevar a cabo su formación de manera más activa, participativa y autónoma.
4. Aplicar la metodología diseñada en las distintas asignaturas implicadas en el proyecto.
5. Promover la creatividad del alumno a la hora de ofrecer soluciones innovadoras a los problemas de visualización asociados a la CGI.
6. Recoger las experiencias y difundirlas a la comunidad educativa, no sólo de UPM, presentando los resultados a través de comunicaciones generalistas (ej. notas de prensa, blog) y científicas (congreso de innovación educativa, revista indexada).
7. Estudiar la viabilidad de trasladar este entorno pedagógico simplificado a centros de formación preuniversitaria, con el objetivo de promover el estudio de la ingeniería entre los estudiantes.

Por otra parte, cabe destacar los siguientes objetivos didácticos (de cara al alumno):

1. Conocer los componentes básicos de un sistema de CGI y un sistema de CAR, así como las dificultades tecnológicas asociadas.
2. Aplicar los conocimientos adquiriros en la asignatura de 3º de Imágenes Biomédicas de segmentación.
3. Aplicar los conceptos de modelado tridimensional aprendidos en la asignatura para la creación de modelos realistas de objetos.
4. Aplicar los conceptos de visualización e interacción de modelos 3D.
5. Aplicar métodos para la asignación de propiedades físicas a modelos geométricos.
6. Aplicar los conocimientos adquiridos de detección de colisiones.
7. Integrar diferentes dispositivos en un único sistema de visualización e interacción.
8. Manejar y controlar motores para la creación de un sistema maestro-esclavo.
9. Diseñar y desarrollar una interfaz gráfica para la visualización e interacción del usuario con el sistema.
10. Crear prototipo funcional del sistema.

Basándonos en la pirámide del aprendizaje propuesta por el pedagogo estadounidense Edgar Dale (figura 1) se propone una metodología didáctica mucho más activa y basada en la experiencia que la tradicional que se venía impartiendo hasta el momento en las asignaturas. Tal y como muestra la figura, en el vértice de la pirámide están situadas las actividades que menos contribuyen a recordar y asimilar la información que recibimos, que son las actividades más pasivas y puramente verbales, como escuchar. En el gráfico se puede ver que las personas aprendemos más y mejor en aquellas actividades que requieren de una actitud activa, de una implicación directa en la propia actividad de aprendizaje, lo que se llama aprendizaje activo. Es en las actividades participativas, en las que interactuamos con los demás, discutimos, comunicamos y colaboramos, como más y mejor aprendemos. En este sentido, con la actividad aquí expuesta, se pretende experimentar el uso de herramientas educativas ubicadas en la base de la pirámide, para la impartición de materias especialmente complejas y prácticas.

Figura 1. Pirámide de aprendizaje basada en la propuesta de Edgar Dale

Las principales razones que nos han llevado a aplicar este modelo de aprendizaje son las siguientes: 

1. El alumno de estas asignaturas se encuentra en su 4º curso (Grado) o 1º (Máster) y resulta complicado maximizar el aprovechamiento de clases magistrales clásicas.
2. Al aumentar la motivación del alumno mediante su implicación en su proceso de aprendizaje, se espera mejorar unos resultados de aprendizaje ya de por sí altos.   
3. Algunos de los contenidos de las asignaturas en las que se centra el proyecto piloto involucran conceptos vistos durante los años previos pero aplicados a un campo en concreto. No parece lógico pues volver a explicar dichos conceptos con detalle, dejando que sean los alumnos quienes renueven aquellos de especial relevancia y los apliquen luego en los proyectos planteados.
4. La realimentación proporcionada por los alumnos de años anteriores de la asignatura de GIB de Simulación y Planificación Quirúrgica fue positiva en las prácticas de la asignatura, pero no tanto en la parte relativa a las clases magistrales.
5. En encuestas anteriores los alumnos indicaban su predisposición por tener un papel mucho más activo en la docencia de la asignatura.

La CGI es un área altamente demandada  y cada vez más ingenieros solicitan formación en este ámbito en cursos especializados como B.E.S.T.: Business Engineering and Surgical Technologies (www.best-innovation.eu/our-mission). En este sentido, la UPM debe posicionarse como un centro de referencia y unirse a este tipo de programas innovadores, logrando atraer talento tanto nacional como internacional.  

Actualmente, en este área contamos con las siguientes asignaturas a las que se dirige EDUCIR.

Asignatura/Titulación:   

Simulación y Planificación Quirúrgica – Grado en Ingeniería Biomédica

Cirugía Guiada por Imagen – Máster Universitario en Ingeniería Biomédica

Centros:

E.T.S.I. de Telecomunicación – Centro de Tecnología Biomédica

Número de estudiantes:

En años anteriores, alrededor de 15 alumnos han cursado las asignaturas de Simulación y Planificación Quirúrgica del Grado en Ingeniería Biomédica. Sin embargo, durante estos años el número de alumnos que ingresan en el grado cada curso ha pasado de 70 a 110, por lo que se espera que aumente a ~25 alumnos.

Por otro lado, la asignatura de Cirugía Guiada por Imagen del Máster en Ingeniería Biomédica es una asignatura de nueva impartición que todavía no tiene datos de matrículas, pero se espera alcanzar ~10 alumnos.

Perfil del alumnado:

Estudiante de Grado en Ingeniería Biomédica o Máster Universitario en Ingeniería Biomédica.

• Diseño general y desarrollo del entorno pedagógico, detallando los componentes del sistema.
  • Diseño y desarrollo del phantom quirúrgico de bajo coste:
    • Diseño de un phantom quirúrgico de bajo coste, seleccionando dimensiones, materiales, etc.
    • Implementación del phantom quirúrgico.
    • Obtención de imagen de tomografía computarizada para la obtención de los modelos virtuales que permitan el guiado de la intervención.
  • Diseño y desarrollo del sistema robótico
    • Diseño de un prototipo robótico de bajo coste de 1 grado de libertad en función de las dimensiones y características de par y corriente.
    • Desarrollo del dispositivo robótico en base piezas de impresión 3D acopladas a rodamientos y los motores necesarios para la generación de movimientos de inserción/extracción
    • Integración del dispositivo robótico con la electrónica de control y el microprocesador.
    • Implementación del software de control y la interfaz de comunicación con el PC
  • Integración del telemanipulador
  • Integración del sistema general en una plataforma open-source con funcionalidades de visualización de realidad virtual.
• Definición de las distintas unidades pedagógicas asociadas a conceptos teóricos/técnicos.
  • Desarrollo del material documental de cada unidad didáctica

• Recursos a elaborar:
  • Diseño y desarrollo de un phantom quirúrgico de bajo coste, a realizar mediante impresión 3D y materiales de fácil acceso: madera, corcho, poliexpan, gelatina, etc. El phantom debe permitir modificar la distribución de los elementos que lo forman, de manera que cada grupo de alumnos cree su modelo único.
  • Imágenes de tomografía computarizada (TAC) del phantom quirúrgico para el posterior desarrollo de los modelos virtuales de las estructuras de interés.
  • Diseño y desarrollo de un robot ad-hoc de un grado de libertad para la inserción/extracción de una herramienta. Con el objetivo de simplificar la aplicación de CGI a la que se enfrenta el paciente, se recreará una situación en la que el robot sólo tiene un grado de libertad, como puede ser en la inserción de una aguja (se pueden encontrar diversos contextos clínicos relacionados, como la inserción de una aguja para realizar una biopsia, la simulación de una anestesia epidural o la braquiterapia).
  • Documentación escrita de cada una de las unidades didácticas.
• Recursos a utilizar:
  • Acceso al uso de escáner TAC para obtener imágenes de tomografía computarizada del phantom quirúrgico (Hospital Ramón y Cajal).
  • 3D Slicer, software open-source para la visualización y procesamiento de imágenes médicas, que permite la obtención de los modelos 3D de las estructuras de interés del phantom quirúrgico.
  • Chai3D, software open-source para el desarrollo de aplicaciones que integran visualización de modelos virtuales y realimentación háptica. Este software provee al usuario de 32 ejemplos de fácil comprensión, además de una guía de usuario detallada explicando las funcionalidades que ofrece.
  • Motores de corriente continua de bajo para la implementación del movimiento de inserción y extracción.
  • Tarjetas de control de motores de corriente contínua con la inclusión de un puente en H para la generación de la modulación de anchura de pulsos.
  • Tarjeta micrcontroladora arduino para la implementación del software de control
  • Impresora 3D para la impresión de las piezas de soporte del dispositivo y su integración con los motores y los ejes lineales.
  • Novint Falcon, dispositivo háptico para interacción y realimentación de fuerzas, integrable con Chai3D.
  • Videos pedagógicos de los conceptos técnicos y su aplicación en aplicaciones de realidad virtual.

A lo largo del proyecto se presentarán diversos documentos y demostradores asociados a la evolución del mismo:

Por otra parte, se contemplan, entre otras, las siguientes evidencias de logro: 

• Análisis comparativo de las tasas de eficiencia y de éxito de asignaturas (% de aprobados sobre matriculados o presentados, respectivamente) respecto a cohortes de cursos anteriores.
• Análisis comparativos de resultados de encuestas de evaluación docente de asignaturas.
• Encuestas a estudiantes para medir la satisfacción y la autopercepción sobre el uso de metodologías o recursos.
• Métodos cualitativos para recoger opiniones y valorar la satisfacción de estudiantes y de profesores.

Los principales recursos docentes resultantes del proyecto han quedado reflejados en apartados anteriores. Mención especial en este punto se podría hacer a:

• Repositorio con material didáctico con recursos  visuales, virtuales y animaciones que constituirán píldoras formativas que se podrían aplicar en otras asignaturas (internas o externas e la UPM) relacionadas con las imágenes médicas, realidad virtual, aumentada y robótica.
• Entorno pedagógico de bajo coste (phantom y sistema robótico) que pudiera ser empleado en otras asignaturas donde se aborden conceptos relacionados. Estas asignaturas pueden o no ser de la UPM.

El principal material divulgativo que se generará en el proyecto EDUCIR incluye:

• Nota de prensa para su difusión en la comunidad universitaria (no sólo UPM)
• Blog divulgativo con los avances del proyecto
• Vídeos de las animaciones creadas en los distintos proyectos en el canal de Youtube del Grupo de Bioingeniería y Telemedicina.
• Material impreso divulgativo (díptico, tríptico…)
• Artículo científico en congreso/ revista indexada de pedagogía, en particular en el campo de la ingeniería. Un ejemplo podría ser la revista Computer Applications in Engineering Education (IF: 0.935).