Het augmented reality-display op het hoofd, Magic Leap, werd gebruikt in combinatie met een conventioneel navigatiesysteem om pedikelschroeven in een varkensmodel te plaatsen door vast te houden aan een nieuwe workflow. Met een mediane inbrengtijd van <2,5 min werden volgens Gertzbein een technische nauwkeurigheid van de submillimeter en 100% klinische nauwkeurigheid bereikt.
Dit protocol helpt bij het beoordelen van de nauwkeurigheid en workflow van een hybride navigatiesysteem met augmented reality (AR) met behulp van het Magic Leap head-mounted display (HMD) voor minimaal invasieve plaatsing van pedikelschroeven. De kadavervarkens werden op een operatietafel gelegd en gedrapeerd met steriele hoezen. De niveaus van interesse werden geïdentificeerd met behulp van fluoroscopie en een dynamisch referentiekader werd bevestigd aan de processus spinosus van een wervel in het interessegebied. Er werd computertomografie (CBCT) uitgevoerd en er werd automatisch een 3D-weergave gegenereerd, die werd gebruikt voor de daaropvolgende planning van de plaatsing van de pedikelschroef. Elke chirurg werd uitgerust met een HMD die individueel met het oog was gekalibreerd en verbonden was met het spinale navigatiesysteem.
Genavigeerde instrumenten, gevolgd door het navigatiesysteem en weergegeven in 2D en 3D in de HMD, werden gebruikt voor 33 pedikelcanula’s, elk met een diameter van 4,5 mm. Postprocedurele CBCT-scans werden beoordeeld door een onafhankelijke beoordelaar om de technische (afwijking van het geplande pad) en klinische (Gertzbein-graad) nauwkeurigheid van elke canulatie te meten. De vaartijd voor elke canulatie werd gemeten. De technische nauwkeurigheid was 1,0 mm ± 0,5 mm bij de ingang en 0,8 mm ± 0,1 mm bij het doel. De hoekafwijking was 1,5° ± 0,6° en de gemiddelde inbrengtijd per canulatie was 141 s ± 71 s. De klinische nauwkeurigheid was 100% volgens de Gertzbein-beoordelingsschaal (32 graad 0; 1 graad 1). Bij gebruik voor minimaal invasieve pedikelcanula’s in een varkensmodel kunnen met dit protocol een technische nauwkeurigheid van submillimeters en 100% klinische nauwkeurigheid worden bereikt.
De juiste plaatsing van pedikelschroeven is belangrijk om schade aan neurovasculaire structuren in en rond de wervelkolom te voorkomen. De plaatsingsnauwkeurigheid met behulp van de techniek uit de vrije hand is zeer variabel1. Door gebruik te maken van 3D-navigatie wordt de nauwkeurigheid verbeterd in vergelijking met traditionele beeldgeleide methoden op basis van intraoperatieve fluoroscopie. Een hogere nauwkeurigheid vermindert het risico op revisiechirurgie 2,3.
Met de schatting dat de gemiddelde levensverwachting zal blijven stijgen, zal een toenemend aantal oudere patiënten chirurgische wervelkolomprocedures nodig hebben voor verschillende pathologieën. Minimaal invasieve benaderingen winnen terrein vanwege hun lagere morbiditeit, vooral bij ouderen 5,6. Deze benaderingen zijn echter afhankelijk van nauwkeurige navigatieoplossingen. Aangezien navigatie gebaseerd is op beelden, worden inspanningen geleverd om de intraoperatieve blootstelling aan straling van patiënten en personeel te verminderen 7,8,9,10.
Augmented reality (AR) is een opkomende technologie op het gebied van chirurgische navigatie die tot doel heeft de nauwkeurigheid en werkzaamheid in de operatiekamer (OK) te verbeteren11. AR legt door de computer gegenereerde informatie over een realistisch beeld. Dit werkt vooral goed wanneer de gesuperponeerde informatie door een HMD wordt gezien. Voor dat doel hebben HMD’s die head-up display-technologie gebruiken de aandacht getrokken vanwege hun kleine formaat, draagbaarheid en de mogelijkheid om een directe zichtlijn te behouden. Er zijn tegenwoordig verschillende HMD’s op de markt voor AR-navigatie 12,13,14,15,16.
De Magic Leap-headset is een optische doorzichtige HMD, inclusief verschillende camera’s, een dieptesensor en traagheidsmeeteenheden, die worden gebruikt om de positie en oriëntatie van de headset in de omgeving te bepalen. Het doel van deze studie was het evalueren van de workflow van de Magic Leap HMD, gecombineerd met een conventioneel navigatiesysteem en een state-of-the-art mobiel CBCT-apparaat, voor intraoperatieve beeldvorming in een realistische chirurgische omgeving.
In deze studie wordt een nieuwe workflow beschreven voor het plaatsen van minimaal invasieve pedikelschroeven met behulp van een HMD in steriele omstandigheden en wordt de nauwkeurigheid ervan geëvalueerd. Er zijn verschillende wetenschappelijke rapporten over HMD-systemen voor craniale en spinale navigatie, waarvan er twee FDA-goedkeuring hebben gekregen voor klinisch gebruik17,18. Andere studies hebben veelbelovende resultaten opgeleverd in de bruikbaarheid van HMD’s in steriele omgevingen19,20, evenals een goede nauwkeurigheid in fantoom- en kadaverstudies 12,13,21. De resultaten van de huidige studie ondersteunen het nut en de haalbaarheid van de workflow in een steriele omgeving en kunnen dienen als een belangrijke basis voor de klinische introductie van het huidige apparaat.
Dit onderzoek onderscheidt zich door de stapsgewijze beschrijving van de procedure in de OK. Met behulp van een geïntegreerd navigatieconcept, inclusief intraoperatieve CBCT en HMD, kunnen de patiëntregistratie en beeldoverlay worden geautomatiseerd om tijd en moeite te besparen op de OK. Zodra de installatie is voltooid en de chirurgen zijn uitgerust met de ooggekalibreerde HMD, kunnen alle andere stappen naadloos worden uitgevoerd. Een groot voordeel van het vooraf plannen van de schroeftrajecten is dat elke afwijking van het juiste pad direct gevisualiseerd en gecorrigeerd kan worden.
Wanneer de planning is voltooid, zijn de trajecten door de steeltjes heen te zien en komen ze overeen met de anatomische hoekingen van de steeltjes. Alle trajecten die niet overeenkomen met de hoeking van de andere zullen duidelijk worden en de chirurg kan ze vervolgens corrigeren om de volgende plaatsing van de staaf te vergemakkelijken. De geplande trajecten worden opgeslagen en kunnen vervolgens worden gebruikt om de technische nauwkeurigheid na fusie met de postoperatieve scans te beoordelen. In deze context is technische nauwkeurigheid een combinatie van de inkomende fout van het navigatiesysteem en het vermogen van de chirurg om zich aan het geplande pad te houden. Belangrijk is dat de mogelijkheid om een CBCT ter bevestiging uit te voeren, de intraoperatieve revisie mogelijk maakt van elke schroef die, ondanks navigatie, verkeerd kan zijn geplaatst.
CBCT is een bekend en veelgebruikt beeldvormingsapparaat voor intraoperatieve navigatie en postoperatieve verificatie. CBCT levert 3D-beelden van superieure kwaliteit in vergelijking met de 2D-beelden van een C-boog, een apparaat dat vaak wordt gebruikt bij spinale chirurgie. De beeldkwaliteit en diagnostische nauwkeurigheid van CBCT zijn vergelijkbaar met conventionele CT. De tijd die nodig is voor de opstelling en het steriele aflaken is vergelijkbaar met die van een standaard C-boog, maar met een veel betere beeldvorming van diagnostische kwaliteit 22,23,24,25.
Het verschil in technische nauwkeurigheid tussen het ingangspunt en het doelpunt is een gevolg van het feit dat de nauwkeurigheid op het ingangspunt sterk afhankelijk is van de anatomie op het gekozen ingangspunt. Als het instappunt op een helling op het botoppervlak wordt geplaatst, is er altijd een risico op skiving26,27. Wanneer de pedikel wordt betreden, zullen de stijve corticale wanden het apparaat geleiden, en daarom zal de afwijking bij het doel kleiner zijn omdat er geen ruimte is om te wiebelen.
De HMD biedt een 3D-model dat wordt weergegeven op basis van de intraoperatieve CBCT of preoperatieve beeldvorming en wordt uitgebreid naar de eigenlijke wervelkolom. Daarnaast geeft het 2D-beelden weer in het axiale, sagittale en coronale vlak, evenals een tweede 3D-model dat de chirurg overal in de virtuele ruimte kan draaien en positioneren, op basis van persoonlijke voorkeur. De interactie met de displaysoftware vindt momenteel plaats met behulp van een afstandsbediening. Om deze afstandsbediening in een steriele omgeving te gebruiken, zou deze in een steriele plastic zak moeten worden geplaatst. Dit is de standaardpraktijk bij verschillende niet-steriele handheld-apparaten die in steriele omgevingen moeten worden gebruikt. In een klinische omgeving hebben handgebaren of spraakopdrachten echter de voorkeur. Tijdens de navigatie geven virtuele representaties van de gevolgde instrumenten in de 2D- en 3D-weergave visuele feedback om de chirurg te helpen.
De HMD zelf is geëvolueerd en de tweede generatie Magic Leap is lichter en heeft een groter gezichtsveld. Het gezichtsveld is een belangrijke factor bij het gebruik van HMD’s en is een van de kenmerken die voortdurend verder wordt ontwikkeld. Het gezichtsveld van de Magic Leap was volledig efficiënt voor het uitvoeren van dit experiment en vormde geen beperkingen voor de workflow. Elke HMD heeft zijn eigen kleine computer die de chirurg onder zijn steriele jassen moet dragen. De communicatie tussen de HMD en het navigatiesysteem verloopt via Wi-Fi en netwerkbeperkingen kunnen leiden tot latentie. Ondanks dat dit product het eerste prototype is, wijzen de huidige resultaten op een uitstekende klinische nauwkeurigheid en submillimeter technische nauwkeurigheid.
De beperkingen van deze studie zijn de kleine steekproefomvang en het varkens-kadavermodel. De mogelijke effecten van ademhaling en bloeding op de nauwkeurigheid konden niet worden geëvalueerd. Hoewel er een minimaal invasieve techniek werd gebruikt, werden er geen schroeven ingebracht. De schroefkanalen waren echter goed zichtbaar en zorgden voor een nauwkeurige beoordeling van de nauwkeurigheid zonder interferentie van metalen artefacten. Concluderend geeft dit artikel een gedetailleerde beschrijving van een nieuwe workflow voor HMD AR-navigatie. Bij gebruik voor minimaal invasieve pedikelcanula’s in een varkensmodel kan een technische nauwkeurigheid van submillimeters en 100% klinische nauwkeurigheid worden bereikt.
The authors have nothing to disclose.
Geen.
Instrument tracking array spine & trauma 4-marker | Brainlab | ||
Curve Navigation System | Brainlab | Navigation System![]() |
|
Disposable clip-on remote control | Brainlab | SmartClip | |
Drill guide tube, handle with marker spheres, drill guide depth control insertable, drill bits | Brainlab | Drill guide and accessories | |
Expedium | DePuy Synthes | Screwdriver![]() |
|
Instrument calibration matrix | Brainlab | Instrument Calibration Matrix![]() |
|
Loop-X | Brainlab | CBCT scanner![]() |
|
Magic Leap 2 | Magic leap Inc. | Mixed Reality headset![]() |
|
Navigation pointer spine | Brainlab | Navigation Pointer![]() |
|
Spine reference array for reference clamp carbon (4-Sphere Geometry) | Brainlab | Spine Reference Array![]() |
|
Spine reference clamp carbon with slider | Brainlab | Spine Reference Clamp ![]() |
|
TruSystem 7500 | Trumpf | Operating table | |
Software | |||
Mixed Reality Spine Navigation App for Magic Leap | Brainlab | Run on Curve Navigation System Version: 2.0 |
|
PDM | Brainlab | Run on Curve Navigation System Version: 4.2 |
|
Spine & Trauma Instrument Setup | Brainlab | Run on Curve Navigation System Version: 6.2 |
|
Spine & Trauma Navigation 2.0 | Brainlab | Run on Curve Navigation System Version: 1.6 |