Reseña de proyecto de
investigación
Sistema de registro cerebral profundo
Deep Brain Recording System
Roberto
Eribe(1), Sergio Bonavento(2)
(1)Universidad Nacional
de la Matanza. Departamento de Ingeniería e Investigaciones Tecnológicas
reribe@unlam.edu.ar
(2)Universidad
Nacional de la Matanza. Departamento de Ingeniería e Investigaciones
Tecnológicas
sbonavento@unlam.edu.ar
Resumen:
Este
proyecto pretende desarrollar un sistema de registro cerebral profundo
electrofisiológico de los ganglios basales como soporte en el tratamiento de
las patologías asociadas a los desórdenes del movimiento, a fin de facilitar
durante el propio acto quirúrgico, la comprensión espacial por parte de los
neurocirujanos y neurólogos de la información disponible en cada caso, con el
objetivo de contribuir a una correcta toma de decisiones.
El
sistema estará dividido en tres bloques funcionales, a saber:
●
Bloque
de adquisición electrofisiológica.
●
Bloque
de adecuación de señal analógico/digital y adquisición de datos.
●
Bloque
de software de post-procesamiento y visualización de la información.
Si
bien existen en la actualidad sistemas comerciales; debido a los altos costos y
la poca disponibilidad de soporte técnico y la baja factibilidad de realizar
mejoras o adaptaciones de los sistemas existentes, se cree necesaria la
realización de una solución integral de este sistema sustituyendo importaciones
e impulsando trabajos de investigación interinstitucionales. El trabajo tendrá
características multidisciplinarias, y se realizará de manera cooperativa; pero
cada grupo de trabajo se centrará en el desarrollo de un bloque en particular:
la fundación Cenit se enfocará en dar soporte en la parte neurológica y
electrofisiología, el Laboratorio de Tecnología Biomédica de la Universidad
Tecnológica Nacional Facultad Regional Avellaneda (LTB UTN FRA) se abocará al
bloque de adecuación de señal en conjunto con Ingenieros de la fundación Cenit,
y por último los investigadores de la UNLaM (graduados y alumnos) se encargarán
del desarrollo del software post-procesamiento (generación de ondas de apoyo (
V2(Dist), FFT) y visualización de la información.
Abstract:
This project
aims to develop an electrophysiological deep brain recording system of the
basal ganglia as support in the treatment of pathologies associated with
movement disorders, in order to facilitate spatial understanding by
neurosurgeons and neurologists during the surgical act itself. of the
information available in each case, for decision-making with greater security.
The system
will be divided into three functional blocks, namely:
●
Electrophysiological acquisition block.
●
Analog/digital signal adaptation block and data acquisition.
●
Software block for post-processing and information visualization.
Although
there are currently commercial systems due to the high costs and the low
availability of technical support and the low feasibility of making improvements
or adaptations of existing systems, it is believed necessary to carry out a
comprehensive solution for this system, substituting imports and promoting
jobs. inter-institutional research. The work will have multidisciplinary
characteristics and will be carried out cooperatively, but each working group
will focus on the development of a particular block: the Cenit Foundation will
focus on providing support in the neurological and electrophysiology part, the
Biomedical Technology Laboratory of the University Tecnológica Nacional
Facultad Regional Avellaneda (LTB UTN FRA) will focus on the signal adaptation
block together with Engineers from the Cenit Foundation and finally, UNLaM
researchers (graduates and students) will be in charge of developing the post-processing
software (generating support waveform ( V2(Dist), FFT) and information display.
Palabras
Clave: Registro Cerebral Profundo,
neurocirugía, electrofisiología, neurocirugía funcional, procesamiento de
señales biológicas
Key
Words: Deep brain record, neurosurgery,
electrophysiology, functional neurosurgery, biological signal processing
Colaboradores:
Battaglia Gerardo, Porral Edgardo, Travi
Juan Pablo, Campódonico Facundo, Caruso Juan Pablo, Holgado Sergio, y Vigiani
Guido
Este
proyecto corresponde al área de conocimiento de la bio tecnología, y se
desarrolló durante los años 2021 y 2022.
Intervinieron
tres instituciones: la Universidad Nacional de la Matanza (UNLaM), la
Universidad Tecnológica Nacional Regional Avellaneda, y la Fundación CENIT.
El proyecto
tuvo como objetico desarrollar un sistema de registro cerebral profundo electro
fisiológico de los ganglios basales como soporte en el tratamiento de las
patologías asociadas a los desórdenes del movimiento, a fin de facilitar
durante el propio acto quirúrgico, la comprensión espacial por parte de los
neurocirujanos y neurólogos de la información disponible en cada caso, para una
correcta toma de decisiones.
El trabajo
tuvo características multidisciplinarias, y se realizó de manera cooperativa;
cada equipo de trabajo se centró en el desarrollo de un bloque en particular:
la Fundación CENIT se enfocó en dar soporte en lo referente a la neurología y a
la electrofisiología, el Laboratorio de Tecnología Biomédica de la Universidad
Tecnológica Nacional Facultad Regional Avellaneda (LTB UTN FRA) se abocó al
desarrollo del hardware para la adecuación de la señal requerida, a fin de
cumplir con los objetivos del proyecto, en conjunto con ingenieros de la
Fundación CENIT, y los investigadores de la UNLaM (graduados y alumnos) se
encargaron del desarrollo del software post-procesamiento (generación de ondas
de apoyo (V2 (Dist), FFT) y visualización de la información.
El
financiamiento del mismo estuvo a cargo de la Universidad Nacional de la
Matanza en un 100%.
II.
INTRODUCCIÓN
Actualmente
se utilizan varios sistemas de registro electro fisiológico, mayormente en
neurocirugía funcional [1], tanto en implante de
DBS (deep brain stimulation) como en cirugías ablativas. Cada uno de los
sistemas posee funcionalidades específicas y también otras que se comparten. El
objetivo principal de todos está ampliamente estudiado y validado [2]. Tecnológicamente
podemos hablar de dos tipos de registro: "Single Unit (SU)" y "Multi Unit
(MU)". Se diferencian en la cantidad de células que registran simultáneamente.
Los SU se dedican al registro unitario de células pudiendo visualizar todas las
características de las descargas eléctricas de las mismas. Mientras que los MU
deben su diseño al registro multicelular, grupos o estructuras de células
pudiendo reconocer entonces la energía descargada por ellas y además poder
inferir qué tan intranuclear se encuentra la estructura registrada [3].
Durante los
procedimientos quirúrgicos, la exploración suele ser abordada con cualquiera de
los sistemas descriptos. No obstante, se abre un capítulo aparte para los
software de registro y grabado de dichas señales, dado que es de vital
importancia la correlación, comparación y ubicación del electrodo, en
diferentes momentos del acto quirúrgico, a fin de poder identificar distintas
estructuras.
Paradójicamente,
son muy pocos o casi nulos los sistemas que realmente ofrecen prestaciones más
versátiles y posibilidad de manejar estas dos tecnologías (SU y MU).
Dentro de
las neurociencias, podemos nombrar a las patologías asociadas a la dificultad,
descoordinación o descontrol de los movimientos, a éstas se las conoce como
"movimientos anormales", las cuales tienen su abordaje terapéutico
farmacológico; pero en algunos casos, hay
opciones quirúrgicas que pueden apoyar o complementarlas. En el caso de que el
equipo tratante, opte por la terapia quirúrgica, es necesario contar con
herramientas que permitan a las personas involucradas lograr identificar las
áreas del SNC (Sistema Nervioso Central) a tratar para maximizar el éxito
quirúrgico. En la actualidad, se encuentran en el mercado algunas opciones de
dificultosa adquisición, tanto por costo como por representación de ventas y
servicio post-venta; lo que conlleva un incremento de costos quirúrgicos
sustancial. Dentro de estas podemos nombrar al NDRS (Neuro Deep Recording System) que se utiliza en el
Hospital Posadas, LeadPoint (Lead
Point: Medtronic)
utilizado por su distribuidor, ISIS MER(ISIS MER. Inomed, Abbott) utilizado también por su
distribuidor, entre otros. Cada equipo presenta características especiales y
funciones que los diferencian, no obstante el estudio de estas últimas no forma
parte del presente trabajo.
El
desarrollo de un sistema para realizar micro registro cerebral profundo, posee
bases científicas comprobadas, y está siendo utilizado actualmente por cientos
de centros de salud a nivel mundial, representando una herramienta necesaria a
la hora de tomar decisiones de tratamiento quirúrgicas.
III.
MÉTODOS
En cuanto a la metodología de
trabajo, se siguió la propuesta de PMI [4] para la gestión del
proyecto y se dividió en tres etapas.
La etapa 1,
la adquisición de los electrodos, cánulas, y todos los elementos necesarios
para realizar las registraciones.
La etapa 2,
de adecuación, correspondiente al filtrado, amplificación y digitalización de
la señal.
La etapa 3, de
procesamiento, que tiene como objetivo el desarrollo y puesta en marcha del
software.
Como se podrá observar
las etapas dos y tres fueron las más complejas dado que hubo que llevar
adelante el diseño del hardware y del software.
A Desarrollo del
Software
Se llevó
adelante siguiendo la propuesta del "proceso unificado para el desarrollo de
software" [5].
El equipo de
desarrollo ha tenido la posibilidad de participar en una cirugía a cerebro
abierto realizada por el equipo médico especialista en este tema. La asistencia
a la segunda cirugía lamentablemente no se pudo hacer dado la falta de
parámetros estables del paciente: así nos lo hizo saber el equipo médico.
De todas formas,
se pudo conocer el procedimiento quirúrgico en forma exhaustiva y se vio el
funcionamiento del software que actualmente se utiliza en la clínica para la
realización de este tipo de intervenciones.
Como
conclusión, se encontró un software poco estable, de tecnología obsoleta ya
casi fuera de uso y con poca posibilidad de realizar cambios para su mejora.
Tras esta
interesante experiencia, el equipo de desarrollo, definió en conjunto con el equipo
médico de la entidad involucrada, una serie de datos que se consideraron
necesarios e imprescindibles en cada intervención quirúrgica. Esto permitió
encuadrar perfectamente los alcances del sistema, siempre dentro de los
parámetros de la ingeniería de software [6] [7].
Una vez obtenido
ese conjunto de datos, se procedió a crear la base de datos relacional, que
cumple estrictamente con las características requeridas por el sistema.
Además, se
pudo observar como en cada punto del cerebro se genera una diferencia de
potencial que varía según la posición de ubicación del objeto de medición y
esta magnitud se ubica en tres ejes para finalmente tomar con estos datos la
determinación de la implantación, o no, de un electrodo.
Cabe
destacar, que no ha sido en ningún momento el objetivo de este desarrollo, el
suplantar al profesional, sino darle respaldo al mismo con datos e información
para la mejora en la toma de decisiones.
En cuanto al
desarrollo del software propiamente dicho se ha utilizado el frame work
Electrón [8], debido a que el mismo facilita la utilización de Java script [9] y Node Js [10] que conforman una
tecnología de la cual el equipo de desarrollo posee una gran experiencia y
además cuenta con una amplia variedad de documentación y bondades en su uso. La
base de datos utilizada, es de versión gratuita,MySql (8.0).
Para simular
la señal que finalmente se debe adquirir desde la parte de hardware, se utilizó
un vector que ha sido generado con posiciones aleatorias y un valor de señal;
con el fin de conformar las ondas de prueba.
B Desarrollo del
Hardware
Durante el
proyecto se diseñó y desarrolló un amplificador de micro registro basado en el
circuito integrado de Analogdevice ADS1299.
El ADS1299
es un circuito integrado de amplificación de instrumentación de alta precisión
diseñado específicamente para aplicaciones de registro de señales biológicas,
como electroencefalografía (EEG), electrocardiografía (ECG) y electromiografía
(EMG). Un amplificador de micro registro basado en el ADS1299 ofrece una alta
precisión y sensibilidad para capturar señales eléctricas de baja amplitud en
el cuerpo humano.
El
amplificador de micro registro desarrollado consta de múltiples canales de
entrada que pueden amplificar y digitalizar señales biológicas débiles con una
resolución de 24 bits. Estos canales están diseñados con entradas de alta
impedancia que reducen el ruido eléctrico y aumentan la sensibilidad de las
mediciones. Además, el circuito integrado también tiene la capacidad de
eliminar el ruido de la línea de alimentación y el ruido electromagnético, lo
que garantiza mediciones más precisas y estables. También cuenta con un sistema
de auto calibración que garantiza la estabilidad y la precisión a largo plazo
de las mediciones. El circuito integrado también tiene la capacidad de
configurarse para realizar mediciones en diferentes rangos de frecuencia y
amplitud, lo que lo hace altamente adaptable a diferentes tipos de señales
biológicas.
Su desempeño
es altamente preciso y sensible para la adquisición de señales biológicas
débiles. Su alta precisión, sensibilidad y capacidad de auto calibración lo
hacen ideal para aplicaciones de investigación médica y científica.
Además de la
investigación médica y científica, el amplificador de micro registro basado en
el ADS1299 tiene una amplia gama de aplicaciones en diferentes campos. La
aplicación que en nuestro caso puntual es la Evaluación neurológica donde posee
la función de registrar la actividad eléctrica del cerebro (EEG) en pacientes
con trastornos neurológicos como la epilepsia, la enfermedad de Alzheimer y el
Parkinson. Estas mediciones son importantes para el diagnóstico, seguimiento y
tratamiento de estas enfermedades. También puede utilizarse para realizar
investigación en neurociencia: para registrar la actividad eléctrica del
cerebro (EEG) y otros tipos de señales eléctricas generadas por el cuerpo
humano.
En resumen,
el amplificador de micro registro basado en el ADS1299 tiene una amplia gama de
aplicaciones en diferentes campos, incluyendo la monitorización del sueño, la
evaluación neurológica, el control de prótesis, la investigación en
neurociencia y la evaluación cardíaca. Su alta precisión y sensibilidad lo
hacen ideal para la adquisición de señales biológicas débiles y su capacidad de
auto calibración lo hace ideal para aplicaciones de larga duración.
IV.
RESULTADOS Y OBJETIVOS
Con respecto
a los resultados y objetivos podemos decir que se han alcanzado en su total magnitud,
en relación al planeamiento de los mismos. En síntesis, pese a las limitaciones
e inconvenientes presentados por el fenómeno de la pandemia, se ha podido
desarrollar un sistema sólido y escalable, tanto en lo referente al software
como al hardware.
Si bien se han
realizado los primeros testing con óptimos resultados, para alcanzar la etapa
productiva aún queda un largo camino por recorrer, sobre todo en buscar un
modelo de simulación que permita desarrollar los testing a un nivel real, tal
como sucede dentro del acto quirúrgico.
Los trabajos
futuros estarán orientados al desarrollo de las pruebas del sistema y a
conseguir las certificaciones necesarias para poner al producto desarrollado en
producción.
V.
CONCLUSIONES
A fin de
realizar una validación del modelo, podemos decir que se trabajó en forma
consistente a lo largo de todo el trabajo. Tanto en la documentación de los
procedimientos y pasos seguidos para el desarrollo del software y hardware, y
que luego se usaron como evidencia de la fiabilidad de los resultados, así como
la precisión y confiabilidad de los mismos se basaron en la triangulación y
convergencia entre las diferentes fuentes de obtención de datos y las múltiples
perspectivas de los participantes.
Por otra parte,
también fue unánime la visión por parte del equipo de investigadores que es
necesario ver el modelo en una etapa más avanzada respecto a los niveles de
testing y sus resultados, y contar con el prototipo inicial más testeado para
evaluar el funcionamiento en forma más operativa y dar una opinión definitiva,
antes de salir a producción.
De todas
maneras se coincidió con
el equipo de trabajo que las tareas por realizar para poner en funcionamiento el producto a nivel productivo será
de un volumen
de trabajo
importante tanto desde el punto de vista del desarrollo como de la
implementación.
El
cuestionamiento inicial de este trabajo se centró en que era posible
desarrollar un sistema de registro cerebral profundo por medio de micro
electrodos (NDRS Neurosurgical Deep Recording System) de fabricación nacional
con el fin de abaratar costos, mejorar el soporte técnico a fin de sustituir
importaciones, generando así un producto de alto valor agregado en tecnologías
convergentes médicas, biomédicas e informáticas
Los
estudios, análisis y tareas realizadas permiten concluir, qué es totalmente
factible la realización del producto y ponerlo en producción, en tanto se consigan los
recursos humanos, de tiempo y dineros para llevarlo adelante.
Es la idea
de este grupo de investigación, de ser factible la continuidad del mismo en un
primer momento darle un alcance nacional, pero no se descarta que una vez
afianzado pasemos al plano internacional.
VII. REFERENCIAS
Y BIBLIOGRAFÍA