Implementación del sistema actuador de captura de imágenes hiperespectrales para la detección de tumores cerebrales

Rosa Olmeda, Gonzalo (2020). Implementación del sistema actuador de captura de imágenes hiperespectrales para la detección de tumores cerebrales. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM), Madrid.

Description

Title: Implementación del sistema actuador de captura de imágenes hiperespectrales para la detección de tumores cerebrales
Author/s:
  • Rosa Olmeda, Gonzalo
Contributor/s:
  • Chavarrías Lapastora, Miguel
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería Electrónica de Comunicaciones
Date: 27 July 2020
Subjects:
Freetext Keywords: Neurocirugía; Imágenes hiperespectrales
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Telemática y Electrónica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Una imagen hiperespectral es una matriz de imágenes digitales bidimensionales en las que cada una de ellas pertenece a una banda espectral concreta. Estas imágenes se pueden obtener mediante cámaras hiperespectrales capaces de capturar bandas del espectro electromagnético más allá de las pertenecientes a los colores rojo, azul y verde (RGB). De esta forma, la cantidad de información se ve considerablemente incrementada, permitiendo llegar a caracterizar distintos tipos de materiales a partir de su respuesta a la luz. En la actualidad existen numerosos campos de aplicación de esta tecnología, destacando la geología, la minería o el sector militar. Sin embargo, este Proyecto Fin de Grado se ha centrado en el uso de estas imágenes en el ámbito médico, en concreto, en la neurocirugía. En este campo de aplicación, los modelos extraídos de estas imágenes se están utilizando para delimitar zonas tumorales en la corteza cerebral con el fin de ayudar al cirujano en el difícil proceso de toma de decisiones durante las intervenciones quirúrgicas. La ventaja de esta tecnología frente a otras alternativas reside, principalmente, en que no es ni invasiva ni ionizante. Este Proyecto Fin de Grado se ha realizado en el marco del proyecto de investigación NEMESIS-3D-CM, el cual tiene como objetivo principal la fusión de diferentes técnicas de diagnóstico por imagen, como imágenes hiperespectrales, ultrasonidos y resonancia magnética intraoperatoria, para generar modelos inmersivos 3D del cerebro. En este proyecto se están utilizando dos cámaras hiperespectrales diferentes para capturar las imágenes: una de tipo snapshot y otra de tipo lineal, siendo esta última el eje central de este PFG. El objetivo de este trabajo es diseñar e implementar una parte del sistema de control y captura con este tipo de cámaras, para lo cual se delimitaron dos objetivos claros. El primero de ellos es seleccionar un actuador lineal, dispositivo imprescindible para desarrollar el movimiento de escaneo característico de este tipo de cámaras. El segundo de ellos es desarrollar la interfaz de control que permita controlar el movimiento del actuador sincronizado con las capturas de la cámara. A lo largo de este Proyecto Fin de Grado se han abordado una serie de retos, acordes al desarrollo del proyecto, derivados del contexto del proyecto de investigación NEMESIS-3D-CM, e incluso externos, debidos principalmente a las circunstancias provocadas por la pandemia de la COVID-19. En primer lugar, fue necesario realizar un estudio de la literatura relacionada con todo el estado del arte de la tecnología hiperespectral. Seguidamente, se estudió cómo calcular los parámetros limitantes de selección de un actuador lineal a partir de posibles casos de captura en el quirófano para que, una vez calculados, se pudiese elegir un actuador acorde a ellos. Una vez adquirido el actuador, se programó un sistema de control del actuador que, implementado dentro del software de control de la cámara diseñado por el equipo de NEMESIS-3D-CM, permitiese tener una primera versión operativa del sistema de captura. Además de todo esto, se desarrolló una interfaz de usuario que permitiera al operador gestionar todos los parámetros necesarios para un funcionamiento. Por último, se probó todo el sistema para poder verificar su correcto funcionamiento. Cabe destacar que durante todo el desarrollo del proyecto se ha trabajado muy estrechamente con el resto de miembros del equipo de NEMESIS-3D-CM. La consecución de los objetivos aquí planteados forma parte esencial del desarrollo del prototipo a utilizar en el quirófano. Por lo tanto, las valoraciones y recomendaciones del resto de estudiantes, ingenieros, investigadores y personal sanitario involucrado han sido una parte fundamental de este Proyecto Fin de Grado. Abstract: A hyperspectral image is an array of two-dimensional digital images, each one belonging to a specific spectral band. These images can be obtained by hyperspectral cameras capable of capturing bands of the electromagnetic spectrum beyond those belonging to the red, blue and green (RGB) colours. In this way, the amount of information, is considerably increased, making it possible to characterise different types of materials based on their response to light. At present, there are numerous fields of application of this technology, such as geology, mining or the military sector. However, this End of Degree Project has focused on the use of these images in the medical field, specifically in neurosurgery. In this field, the models extracted from these images are being used to delimit the tumour zones in the cerebral cortex in order to help the surgeon in the difficult process of decision-making during surgical interventions. The main advantage of this technology 0over other alternatives is that it is neither invasive nor ionizing. This End of Degree Project has been made in the framework of the NEMESIS-3D-CM research project, which its main objective the fusion of different diagnostic imaging techniques, such as hyperspectral imaging, ultrasound and intraoperative magnetic resonance, to generate 3D immersive models of the brain. In this project, different hyperspectral cameras are being used to capture the images: one of the snapshot type and another of the linear type, the latter being the central axis of this PFG. The aim of this work is to design and implement a part of the control and capture system with this type of cameras, for which two clear objectives were defined. The first one is to select a linear actuator, which is an essential device to develop the scanning movement characteristic of this type of cameras. The second one is to develop the control interface that allows to control the movement of the actuator synchronized with the captures of the camera. Throughout this Diploma Degree a series of challenges have been addressed, according to the development of the project, derived from the context of the research project NEMESIS-3DCM, and even external, mainly due to the circumstances caused by the COVID-19 pandemic. Firstly, it was necessary to carry out a study of the literature related to the whole state of the art of hyperspectral technology. Then, it was studied how to calculate the limiting parameters for the selection of a linear actuator from possible cases of capture in the operating theatre so that, once calculated, an actuator could be chosen according to them. Once acquired the actuator, an actuator control system was programmed that, implemented within the control software of the camera designed by the NEMESIS-3D-CM team, allowed to have a first operative version of the capture system. In addition to all this, an interface was developed that allowed the operator to manage all the parameters necessary for an operation. Finally, the whole system was tested to verify its correct operation. It should be noted that throughout the development of the project we have worked very closely with the other members of the NEMESIS-3D-CM team. The achievement of the objectives is an essential part of the development of the product to be used in the operating room. Therefore, the assessments and recommendations of other students, engineers, researchers and health personnel involved have been a fundamental part of this End of Degree Project.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Madrid Regional GovernmentY2018/BIO-4826NEMESIS-3D-CMUniversidad Politécnica de MadridClasificación intraoperatoria de tumores cerebrales mediante modelos inmersivos 3D

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Item ID: 66675
DC Identifier: https://oa.upm.es/66675/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66675
Deposited by: Biblioteca Universitaria Campus Sur
Deposited on: 09 Apr 2021 17:47
Last Modified: 09 Jun 2021 22:30
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