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Reportaje - Dr. Robot, neurocirujano

Gracias a fondos europeos, un equipo de investigadores ha diseñado un robot que ayudará a los neurocirujanos a realizar algunas de las operaciones más delicadas y precisas que deban realizar en el encéfalo humano. Es el fruto de una investigación basada en la interacción compleja entre controles muy precisos, sensores informativos e inteligencia artificial que también repercutirá en gran medida en la robótica aplicada a la medicina en general.

Economía digital

En teoría, los robots son los ayudantes perfectos para la neurocirugía. Son capaces de realizar maniobras con una precisión extrema, cuentan con memorias prodigiosas y pueden pensar a gran velocidad. Y además no necesitan que nadie les seque el sudor de la frente. Así que permitirían incrementar, rápida y fácilmente, el número de intervenciones quirúrgicas que se realizan en los centros médicos. Pero la realidad dista de ser tan sencilla. «El desarrollo de un asistente robótico para cirugía constituye una tarea de extremada dificultad», reconoció Giancarlo Ferrigno, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos Robocast («Integración de robots y sensores para una cirugía y una terapia asistidas por ordenador»). «En el diseño se deben tener en cuenta un gran número de variables y el proceso requiere una precisión extremadamente elevada. El margen de error posible es mínimo.» El proyecto Robocast, que cuenta con un presupuesto total de 4,55 millones de euros (3,45 de los cuales adjudicados por la Unión Europea), se centró en una tarea muy particular, la neurocirugía mínimamente invasiva tipo cerradura, o keyhole, asistida por un robot, una técnica que se practica a través de un orificio muy reducido en el cráneo. Este tipo de cirugía se emplea para múltiples intervenciones en el encéfalo. En la endoscopia, por ejemplo, el cirujano se vale de un orificio tipo cerradura para insertar una cámara y con ella examinar directamente parte del órgano, mientras que la biopsia consiste en tomar muestras de tejido a través de dicho orificio. Esta técnica se puede utilizar también para introducir agujas con las que extraer muestras de sangre y otros fluidos, así como para la ablación criogénica y electrolítica, que consisten en la extracción de tejidos aplicando frío extremo o bien una corriente eléctrica directa. Por otra parte, la braquiterapia consiste en colocar una fuente de radiación en las proximidades de la zona tratada, mientras que mediante estimulación cerebral profunda se instala un marcapasos cerebral. Estas y otras técnicas han propiciado cambios radicales en el tratamiento de tumores, hidrocefalia (patología consistente en la acumulación de líquido en el encéfalo), la distonía (un trastorno motor de origen neurológico), temblor esencial, la enfermedad de Parkinson, el síndrome de Tourette, la depresión clínica, dolor de miembro fantasma, la cefalea en racimos o de Horton e incluso la epilepsia. Se trata de un campo extremadamente amplio y en expansión, pero también uno de los más difíciles. Exige una inteligencia muy desarrollada, una destreza extrema y un temple muy firme. «Ciertamente en la actualidad los procedimientos de neurocirugía se encuentran al límite de las capacidades humanas; sólo la aparición de tecnologías nuevas posibilitará que los cirujanos se superen a sí mismos», explicó el Dr. Ferrigno. «Funciones vitales como los sentidos, el movimiento, el habla y la memoria pueden hallarse ocultas en el interior de tejidos encefálicos situados a tan sólo unas décimas de milímetro del punto intervenido y que de resultar dañados podrían dar lugar a lesiones permanentes.» El desarrollo de un asistente robótico fiable, seguro y efectivo podría reforzar la seguridad y aumentar el número de operaciones que pueden llegar a realizarse. Se trata de una perspectiva que cobrará si cabe más importancia en el plazo de veinte años, puesto que la población de Europa envejece con rapidez y la incidencia de patologías neurológicas va en aumento. Inteligencia mecatrónica El equipo de Robocast ha desarrollado tanto programas como aparatos informáticos. En robótica dichos aparatos se llaman genéricamente mecatrónica, ya que se componen de piezas mecánicas y circuitos electrónicos. Si la mecatrónica representa el cuerpo y el sistema nervioso de un robot, los programas informáticos le dotan de inteligencia. El sistema lo completan una interfaz humano-ordenador dotada de un dispositivo de comunicación inteligente y dependiente del contexto y un mecanismo de control háptico o de respuesta a la presión. También una unidad de múltiples robots, un planificador autónomo de la trayectoria, un controlador de alto nivel y una serie de sensores de campo. La fase del proyecto dedicada a la mecatrónica sirvió para desarrollar un sistema modular, asegurando una huella pequeña, con dos robots y una sonda biomimética activa. El diseño ingenieril de los sistemas biomiméticos está inspirado en modelos biológicos. Los tres elementos cooperan en un marco integrado motor-sensorial con el fin de actuar al unísono. El primer robot puede posicionar a su robot acompañante en miniatura conforme a seis «grados de libertad» (degrees of freedom, DOF). Los grados de libertad definen las direcciones en las que un objeto puede moverse en el espacio tridimensional, y seis DOF representan la gama de movimientos más amplia. En términos reales, seis DOF significan que el robot puede moverse en tres direcciones lineales, a saber, de arriba a abajo, de izquierda a derecha y hacia delante y atrás. También puede realizar tres movimientos rotatorios: inclinarse hacia delante y hacia atrás, hacia los costados, o bien girarse a la derecha o a la izquierda. El robot puede combinar estos movimientos de manera simultánea para ubicar a su acompañante en cualquier punto del espacio tridimensional. Del mismo modo, puede colocar al robot acompañante en miniatura en cualquier punto del quirófano. A continuación el robot en miniatura sostiene la sonda que debe introducirse por el orificio. El sistema cuenta con rastreadores ópticos que siguen el extremo de la sonda y al paciente. Además, el robot es capaz de controlar la posición y la fuerza aplicada empleando una serie de sensores. Los investigadores del proyecto también desarrollaron el sistema de inteligencia del robot para que sea capaz de definir la trayectoria del procedimiento quirúrgico, una parte de importancia vital para su cometido. La trayectoria se suele dar por hecha, pero en robótica constituye un aspecto extremadamente dificultoso. De manera instintiva, el encéfalo se encarga de realizar el complejo cálculo necesario para ubicar objetos en el espacio tridimensional, tarea que realiza mientras el objeto se mueve, literalmente al vuelo y en tiempo real. Normalmente, cuando nos tiran una pelota somos capaces de atraparla. Esta acción tan sencilla es en realidad un proceso de inmensa complejidad. El equipo del proyecto desarrolló un sistema de control que efectúa de manera autónoma una planificación de la trayectoria, tanto dentro como fuera del cuerpo del paciente, mediante un análisis de información diagnóstica preoperatoria. El tramo de la trayectoria que discurre en el interior del encéfalo se planifica partiendo de un «atlas del riesgo». Dicho atlas reproduce una representación difusa del encéfalo que relaciona las estructuras de éste con determinado «nivel de peligro». La representación es difusa debido a la amplísima variabilidad inherente a cada individuo. Los niveles de peligro van desde muy alto hasta muy bajo. La construcción del atlas se fundamenta en un aprendizaje cognitivo, y el sistema es capaz de ofrecer al cirujano explicaciones relativas a toda acción propuesta. De manera semiautónoma, el robot puede actualizar el plan con el fin de adaptarlo a cualquier imprevisto que surja durante la intervención. Las actualizaciones se basan en información recogida y procesada durante la operación gracias a tecnologías como la imagen por ultrasonidos. Huelga decir que el cirujano sigue ostentando por completo el control y la responsabilidad de la operación, pudiendo además establecer restricciones adicionales al planificador de la trayectoria. Así pues, el plan de trayectoria definitivo, tanto por el interior como por el exterior del cuerpo, resulta de la interacción entre el cirujano y el núcleo inteligente del sistema. La interfaz entre el sistema y el usuario requiere una interacción mínima. No obstante, proporciona toda la información necesaria en virtud de un diseño intuitivo según el cual realiza una interpretación de las órdenes del cirujano basada en el contexto. En febrero de 2011, el equipo de Robocast realizó una exhibición con el robot consistente en la intervención a un maniquí en un quirófano de verdad. Quedó patente que la tecnología funciona y que el proyecto cumplió todos sus objetivos. Quedan por pulir detalles y validar su uso en una sala de operaciones en una situación real. «Fue un proyecto de una complejidad inusitada, en especial para integrar el trabajo de los científicos implicados, repartidos por toda Europa e Israel», anotó el Dr. Ferrigno. «Fue como coordinar a una orquesta formada por solistas de primer nivel. Pero lo solventamos gracias a que todos los socios realizaron una gran labor de coordinación y cooperación. También ayudó muchísimo que realizásemos intercambios de investigadores de varias semanas de duración entre institutos.» Ya se ha puesto en marcha otro proyecto llamado ACTIVE que, retomando esta misma labor, investigará la realización de intervenciones de neurocirugía con robots mientras el paciente permanece consciente. Además, el Consejo Europeo de Investigación (CEI) ha otorgado financiación para seguir desarrollando la sonda biomimética, mientras que el planificador de la trayectoria ya se usa en la práctica clínica. Se trata de un destacado avance en ingeniería robótica y, gracias a Robocast, ya no falta tanto para que los centros médicos llamen por megafonía al Dr. Robot, neurocirujano. La financiación realizada en el proyecto Robocast fue financiada al amparo del subprograma «Sistemas cognitivos, interacción y robótica» del Séptimo Programa Marco (7PM). Enlaces útiles: - Proyecto Robocast - registro de datos del proyecto Robocast en CORDIS Artículos relacionados: - Una mano robótica más natural - Un plan para los asistentes robóticos - Los robots reales obedecen las leyes de Asimov