Realismo visual em simuladores de cirurgia é foco de pesquisas no Instituto de Informática

A partir de vídeos de procedimentos reais, pesquisadores desenvolvem novas ferramentas de computação gráfica com o objetivo de aprimorar o treinamento de cirurgiões
Augusto Luengo propôs, durante o mestrado, um método de renderização de imagens de órgãos vivos baseado em algoritmos matemáticos de iluminação global - Foto: Ramon Moser

Uma microcâmera e instrumentos cirúrgicos são introduzidos por pequenas incisões no abdômen do paciente em um procedimento minimamente invasivo. A partir das imagens transmitidas para um monitor, o médico realiza as intervenções necessárias. Utilizada para diversos tipos de operações de órgãos intra-abdominais e para procedimentos ginecológicos e urológicos, as cirurgias laparoscópica apresentam várias vantagens em relação às convencionais, como menor tempo de cirurgia, recuperação mais rápida e cicatrizes menores.

Para que o médico possa realizar esse tipo de procedimento, entretanto, é necessário treinar. Os futuros cirurgiões praticam as operações em simuladores virtuais – uma espécie de videogame no qual podem treinar à vontade, sem medo de errar, em ambientes livres de estresse e do envolvimento do paciente ou de implicações éticas associadas ao uso de animais. Os simuladores possibilitam a realização de um maior número de laparoscopias e diminuem o risco de complicações e de infecções pós-operatórias.

Diferente dos videogames, entretanto, que contam com gráficos cada vez mais realistas, os simuladores de cirurgias atuais apresentam um baixo realismo visual e não conseguem capturar toda a riqueza de detalhes existente no interior do corpo humano. Os modelos usados hoje são semelhantes a um desenvolvido no Instituto de Informática da UFRGS há cerca de sete anos. Entre as razões para esse gap tecnológico está a dificuldade em adquirir e processar os dados de seres vivos. No entanto, a fidelidade da simulação, com imagens realistas que contemplem a diversidade de situações que o médico pode vir a experimentar, é essencial para o treinamento, potencializando o planejamento das operações e diminuindo o risco de surpresas e complicações.

Com o objetivo de tornar esses simuladores mais semelhantes à realidade, pesquisadores do Instituto de Informática estão desenvolvendo ferramentas de computação gráfica que permitirão gráficos próximos do chamado realismo fotográfico – aquele em que não conseguimos distinguir o virtual do real. A partir de vídeos de laparoscopias reais, os pesquisadores extraem dados sobre os tecidos orgânicos vivos, que são usados para aperfeiçoar as imagens sintetizadas. O trabalho envolve professores, mestrandos, doutorandos e bolsistas de iniciação científica, além da assessoria de médicos do Hospital de Clínicas de Porto Alegre, por meio do professor Leandro Totti Cavazzola.

Um exemplo é o estudo do doutorando Augusto Luengo. Orientado pelos professores Marcelo Walter e Anderson Maciel, Luengo se dedicou, durante o mestrado, a um método de renderização de imagens de órgãos vivos baseado em algoritmos matemáticos de iluminação global. A iluminação global é uma técnica utilizada na computação gráfica 3D que tem como objetivo dar mais realismo à cena. Os algoritmos não levam em conta apenas a luz direta que incide sobre o objeto – como é o caso da técnica de iluminação local, usada nos simuladores atuais –, mas também a que é refletida por outras superfícies do ambiente.

A luz que é introduzida no abdômen para auxiliar a cirurgia, por exemplo, é refletida de forma variada pelas superfícies irregulares dos diversos órgãos que existem ali. É essa interação entre a luz e o ambiente que o pesquisador buscou reproduzir. No doutorado, iniciado em 2014, Luengo pretende ampliar o trabalho para a representação das texturas dos órgãos. “No mestrado, trabalhamos somente com os reflexos, como se o material fosse homogêneo. Só que o órgão não é homogêneo; ele tem camadas, veias… E temos vontade de simular isso também”, explica. Outra ideia do pesquisador é levar as diferenças e particularidades dos pacientes para os simuladores. O fígado de um adolescente com uma alimentação balanceada, por exemplo, é bem diferente do órgão de um idoso com uma dieta rica em gordura.

Outras pesquisas vêm sendo desenvolvidas paralelamente à de Luengo, como a dissertação de mestrado de Dennis Giovani Balreira, que buscou representar a estrutura interna de um fígado humano. A expectativa, segundo Luengo, é de que em cerca de três anos o novo simulador esteja concluído.

Técnicas de computação gráfica buscam reproduzir a interação entre a luz e o ambiente – Foto: Ramon Moser

Técnicas de computação gráfica buscam reproduzir a interação entre a luz e o ambiente – Foto: Ramon Moser

Dissertações

Título: Rendering baseado em amostragem da BRDF de órgãos vivos por videolaparoscopia
Autor: Augusto Luengo Pereira Nunes
Orientador: 
Marcelo Walter
Coorientador: Anderson Maciel
Unidade: Programa de Pós-Graduação em Computação

Título: Sistema de visualização do interior de objetos com estruturas internas para simulação de cirurgias
Autor: Dennis Giovani Balreira
Orientador: 
Marcelo Walter
Coorientador: Anderson Maciel
Unidade: Programa de Pós-Graduação em Computação

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