돼지 모델에서 증강 현실 헤드 마운트 디스플레이를 사용한 척추경 나사 배치

Summary

증강 현실 헤드 마운트 디스플레이인 Magic Leap은 기존의 내비게이션 시스템과 함께 사용되어 새로운 워크플로를 준수하여 돼지 모델에 척추경 나사를 배치했습니다. Gertzbein에 따르면 <2.5분의 중간 삽입 시간으로 서브밀리미터 기술 정확도와 100% 임상 정확도가 달성되었습니다.

Abstract

이 프로토콜은 최소 침습적 척추경 나사 배치를 위해 Magic Leap 헤드 마운트 디스플레이(HMD)를 사용하여 증강 현실(AR) 하이브리드 내비게이션 시스템의 정확도와 워크플로를 평가하는 데 도움이 됩니다. 돼지 사체 표본은 수술대 위에 놓고 멸균 덮개를 씌웠다. 관심 수준은 형광 투시를 사용하여 식별되었으며 동적 참조 프레임은 관심 영역에 있는 척추의 가시 돌기에 부착되었습니다. 원뿔 빔 컴퓨터 단층 촬영(CBCT)이 수행되고 3D 렌더링이 자동으로 생성되어 척추경 나사 배치의 후속 계획에 사용되었습니다. 각 외과의는 개별적으로 눈을 보정하고 척추 내비게이션 시스템에 연결된 HMD를 착용했습니다.

내비게이션 시스템에 의해 추적되고 HMD에 2D 및 3D로 표시되는 내비게이션 계기는 각각 직경 4.5mm의 33개의 척추경 캐뉼레이션에 사용되었습니다. 시술 후 CBCT 스캔은 각 캐뉼레이션의 기술적(계획된 경로로부터의 편차) 및 임상적(Gertzbein 등급) 정확도를 측정하기 위해 독립적인 검토자에 의해 평가되었습니다. 각 캐뉼레이션에 대한 탐색 시간을 측정했습니다. 기술적 정확도는 진입 지점에서 1.0mm ± 0.5mm, 표적에서 0.8mm ± 0.1mm였습니다. 각도 편차는 1.5° ± 0.6°였으며 캐뉼레이션당 평균 삽입 시간은 141초 ± 71초였습니다. 임상적 정확도는 Gertzbein 등급 척도(32 등급 0, 1 등급 1)에 따라 100%였습니다. 돼지 모델에서 최소 침습적 척추경 캐뉼레이션에 사용할 때 이 프로토콜로 서브밀리미터 기술 정확도와 100% 임상 정확도를 달성할 수 있습니다.

Introduction

척추경 나사의 올바른 배치는 척추 안팎의 신경 혈관 구조의 손상을 방지하는 데 중요합니다. 자유형 기법을 사용한 배치 정확도는 매우 가변적입니다¹. 3D 내비게이션을 사용하면 수술 중 형광 투시를 기반으로 하는 기존의 이미지 유도 방법에 비해 정확도가 향상됩니다. 정확도가 높을수록 재수술의 위험이 줄어든다 ^2,3.

평균 기대 수명이 계속 증가할 것으로 예상됨에 따라 다양한 병리학에 대한 척추 수술이 필요한 노인 환자가 증가하고 있다⁴. 최소 침습적 접근법은 특히 노인의 이환율이 낮기 때문에 자리를 잡아가고 있다 ^5,6. 그러나 이러한 접근 방식은 정확한 탐색 솔루션에 따라 달라집니다. 내비게이션은 이미지 기반이기 때문에 환자와 직원의 수술 중 방사선 노출을 줄이기 위한 노력이 이루어지고 있습니다 7,8,9,10.

증강 현실(AR)은 수술실(OR)의 정확도와 효능을 개선하는 것을 목표로 하는 수술 내비게이션의 새로운 기술입니다¹¹. AR은 컴퓨터에서 생성된 정보를 실제 뷰에 겹쳐 놓습니다. 이는 HMD를 통해 겹쳐진 정보를 볼 때 특히 효과적입니다. 이를 위해 헤드업 디스플레이 기술을 사용하는 HMD는 작은 크기, 휴대성, 직접적인 시야 유지 가능성으로 인해 주목을 받고 있습니다. AR 내비게이션 12,13,14,15,16을 위해 현재 여러 HMD를 시장에 출시하고 있습니다.

Magic Leap 헤드셋은 여러 카메라, 깊이 센서 및 관성 측정 장치를 포함하는 광학 투명 HMD로, 환경에서 헤드셋의 위치와 방향을 결정하는 데 사용됩니다. 이 연구의 목적은 실제 수술 환경에서 수술 중 이미징을 위해 기존 내비게이션 시스템 및 최첨단 모바일 CBCT 장치와 결합된 Magic Leap HMD의 워크플로우를 평가하는 것이었습니다.

Protocol

이 절차는 방사선 투과 수술실 테이블, 내비게이션 플랫폼 및 AR 내비게이션을 위한 고품질의 2D 형광 투시 및 3D CBCT 이미지를 모두 제공하는 모바일 CBCT 장치가 장착된 기존 OR에서 수행되었습니다. 이 연구의 목적을 위해 길이 약 80cm, 무게 45kg의 돼지 사체 2구가 사용되었다. 표본은 상업적으로 구입되었으며, 이 실험에 사용하기 위해서는 윤리적 허가가 필요하지 않았습니다. 설명된 워크플로 내에서 사용되는 모든 장치, 기기 및 소프트웨어는 재료 표에 나열되어 있습니다. 각 시편에 대해 다음과 같은 단계별 절차를 수행하고 반복하였다. 1. 돼지 사체 표본 돼지 사체 표본을 수술실의 수술대에 놓습니다. 돼지 사체 표본을 멸균 덮개로 덮습니다. 수술 부위의 피부를 덮기 위해 절개 필름을 사용합니다. 2. 척추 관심 수준 식별 CBCT 스캐너를 사용하여 형광투시법으로 척추 관심 수준을 식별합니다. CBCT 스캐너의 무선 제어 태블릿을 사용하여 스캐너를 원하는 위치로 이동하고, X선 빔을 정렬하고, 형광 투시 스캔을 수행합니다(그림 1).참고: 2D 스캔은 태블릿에서 즉시 검토할 수 있습니다. 척추 수준은 형광 투시 스캔에서 갈비뼈를 찾고 위쪽 또는 아래쪽으로 계산하여 식별합니다. 방사선 투과 내비게이션 동적 참조 클램프를 가시 돌기를 노출시키고 전용 드라이버를 사용하여 클램프를 고정하여 관심 영역의 가시 돌기에 부착합니다. 그런 다음 참조 프레임의 반사구를 클램프에 부착합니다(그림 2). CBCT 스캔을 수행하고 LAN을 통해 탐색 플랫폼으로 스캔을 전송합니다(그림 3). 내비게이션 시스템 카메라는 CBCT 스캐너와 동적 참조 프레임을 추적하여 내비게이션 플랫폼에서 Brainlab Loop-X 자동 등록 소프트웨어를 사용하여 자동 환자 등록을 가능하게 합니다. 내비게이션 플랫폼에서 Spine & Trauma Navigation 소프트웨어를 시작합니다. 척추 포인터와 2D 탐색 보기를 사용하여 해부학적 랜드마크에 대한 환자 등록의 정확성을 확인합니다. 그림 1: CBCT 스캐너의 무선 제어 태블릿. CBCT의 형광 투시 이미지를 보여주는 태블릿. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 2: 가시 돌기에 부착된 클램프의 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 3: Loop-X CBCT. CBCT는 참조가 첨부된 드레이프된 돼지 사체를 스캔합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 3. 기기 교정 탐색된 드릴 가이드와 스크류 드라이버를 내비게이션 시스템에 맞게 보정합니다. 이를 위해 Brainlab Spine & Trauma Instrument Setup 소프트웨어에서 기기를 선택한 다음 보정 장치와 함께 내비게이션 시스템의 카메라에 실제 기기를 제시합니다. 내비게이션 시스템이 기기를 인식할 때까지 교정 장치와 접촉하는 동안 기기를 회전 동작으로 움직입니다. 보정이 완료되면 HMD의 2D 이미지와 3D 모델 모두에서 계측기를 추적하고 시각화합니다. 4. 헤드 장착형 장치 피팅 각 외과의가 Magic Leap 헤드셋(HMD)을 착용하고 있는지 확인하십시오. HMD와 내비게이션 플랫폼이 동일한 네트워크에 연결되어 있는지 확인합니다(HMD의 경우 WLAN 연결, 내비게이션 플랫폼의 경우 LAN 연결). HMD와 Spine & Trauma Navigation 소프트웨어 간의 통신을 설정하려면 내비게이션 플랫폼 화면에 표시된 QR 코드를 확인합니다. 그러면 HMD에서 실행되는 해당 Mixed Reality 애플리케이션이 시작되고 HMD로 데이터가 전송됩니다. 몇 초 동안 HMD를 통해 스파인 참조 배열을 확인하여 혼합 현실 맞춤을 수행합니다. CBCT 스캔을 기반으로 렌더링된 척추의 3D 모형이 HMD의 표본에 정확하게 증강될 때까지 기다립니다. 3D 오버레이 외에도 2D 탐색 보기와 HMD에 표시되는 2D 탐색 보기(가리키기 보기) 위의 두 번째 3D 모델을 확인합니다. 그림 4: HMD를 통한 모습 2D 및 3D 정보를 모두 제공하는 HMD를 통한 외과의의 모습. 3D 오버레이는 기기 정렬을 지원하는 돌출된 궤적 선이 있는 계획된 3D 나사를 보여줍니다. 아래쪽 3D 모델은 돼지의 척추에 증강됩니다. 추가 정보는 위에 떠 있는 2D 및 3D 표현에서 제공되며, 가상 공간에 자유롭게 배치하고 켜고 끌 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 5. 척추경 나사 배치 계획 3D 등록 증강 모델을 기반으로 척추경 나사 경로를 계획하고, 척추의 해부학적 구조에 맞춰 정렬하고, HMD에서 시각화합니다(그림 5). 내비게이션 플랫폼의 터치스크린에서 나사 경로를 미세 조정합니다. 그림 5: 척추경 나사 경로 계획. HMD 및 탐색 포인터를 사용하여 계획되는 척추경 나사의 경로입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 6. 척추경 나사 배치 시작 HMD를 통해 볼 수 있는 중첩된 3D 모델을 기반으로 척추경에 대한 최소 침습적 접근을 위해 메스로 약 2cm 길이의 작은 피부 절개를 만듭니다(그림 6). 최소 침습 기술을 사용하여 연조직을 절개하고 척추 표면의 척추경 진입점에 도달할 때까지 확장기로 근관을 확장합니다. 척추경에 계획된 나사의 길이와 일치하도록 드릴 가이드의 깊이를 조정합니다. 계획된 나사 길이가 내비게이션 시스템 화면에 표시됩니다. 탐색된 드릴 가이드를 계획된 경로에 배치하고 정렬합니다. 4.5mm 드릴 비트가 있는 전동 드릴을 사용하여 척추경을 뚫습니다(그림 7). 계획된 경로에 따라 드릴하십시오. 드릴 가이드는 드릴이 계획된 깊이보다 깊숙이 들어가는 것을 방지합니다. 피부 절개부터 각 척추경에 대해 관이 뚫릴 때까지의 시간을 추정합니다. 그림 6: 최소 침습 절개. 위에서 본 돼지 사체는 척추를 따라 최소 침습 절개를 보여줍니다. 오른쪽은 가시 돌기에 고정된 반사 구체가 있는 기준입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 7: 척추경 드릴링. 드릴 가이드를 미리 계획된 경로에 정렬하기 위해 HMD를 통해 볼 수 있는 내비게이션을 사용하여 전동 드릴로 척추경을 뚫습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 7. 나사 배치의 시각화 알림: 평가 중에 금속 아티팩트를 방지하기 위해 나사를 배치하지 않았습니다. 정확도 분석을 위해 두 번째 CBCT를 수행하여 뚫린 척추뼈의 X선 이미지를 획득합니다. 후속 정확도 분석을 위해 사용하기 전에 척추에 뚫린 운하가 명확하게 보이는지 확인하십시오. 8. 척추 캐뉼레이션 섹션 2, 섹션 4, 섹션 6 및 섹션 7에 설명된 위의 절차를 반복하여 전체 척추가 캐뉼레이션될 때까지 다음 관심 영역을 덮습니다. 두 번째 표본을 사용하여 동일한 절차(섹션 1-8)를 반복합니다. 9. 이미지 분석 획득한 CBCT 이미지를 탐색 계획과 일치시키고 절차 중에 촬영한 실험실 노트에 따라 수정합니다. 독립적인 검토자가 모든 이미지를 평가하고 Gertzbein 등급 척도에 따라 0에서 3까지 캐뉼레이션의 등급을 매기도록 합니다. 0 또는 1 등급은 정확한 것으로 간주됩니다. 2등급 또는 3등급은 부정확한 것으로 간주됩니다. 계획된 경로와 캐뉼레이션의 궤적을 융합하고 기술적 정확도를 진입 및 대상의 경로로부터의 편차로 정의합니다. 각도 편차를 측정합니다.

Representative Results

총 33개의 탐색 캐뉼레이션이 수행되었습니다. 캐뉼레이션당 시간과 임상 및 기술적 정확도는 수술 후 CBCT 스캔에서 평가되었습니다(그림 8). 그림 8: Gertzbein 등급 0 캐뉼레이션의 수술 후 스캔. 스캔에는 관상, 축 및 시상 보기로 제시된 척추경 캐뉼레이션에 대한 수술 계획이 포함됩니다. 가상 나사와 캐뉼러 운하의 긴밀한 정렬에 유의하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 캐뉼레이션당 평균 삽입 시간은 141초 ± 71초(중앙값 [범위]: 151[43-471]; 그림 9). 그림 9: 척추경 캐뉼레이션 시간의 분포 히스토그램 및 상자. 상단, 척추경 캐뉼레이션 시간 분포의 히스토그램(n = 33); 아래쪽, 중앙값, 사분위간 범위 및 특이치를 보여주는 대응하는 상자 그림입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 33개의 캐뉼레이션은 모두 Gertzbein 등급 척도(32 등급 0; 1 등급 1; 표 1). 게르츠바인 등급 0 게르츠바인 그레이드 1 게르츠바인 그레이드 2 게르츠바인 3급 임상적으로 정확함 임상적으로 부정확함 정밀 나사 수 32 1 0 0 33 0 100% 표 1: Gertzbein 등급 척도에 따른 이식된 나사의 임상적 정확도. 0 또는 1 등급이 정확한 것으로 간주되었습니다. 2등급 또는 3등급은 부정확한 것으로 간주되었습니다. 기술적 정확성을 평가하기 위해 계획된 경로에서 각 캐뉼레이션의 편차를 뼈 입구와 시추관 바닥에서 측정했습니다(그림 10). 3D 측정은 계획된 캐뉼레이션 경로를 포함한 수술 중 스캔과 캐뉼레이션의 수술 후 스캔을 융합하여 수행되었습니다. 각도 편차는 이러한 데이터를 기반으로 계산되었습니다. 그림 10: 기술적 정확성을 위한 측정 모델 개요. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 이 방법은 이전에 Frisk et al.12에 의해 설명되었습니다. 수행된 33개의 척추경 캐뉼레이션의 경우 기술적 정확도는 진입 지점에서 1.0mm ± 0.5mm(중앙값 [범위]: 1.0 [0.4-3.3])였으며 시추관 바닥에서 0.8mm ± 0.1mm(중앙값 [범위]: 0.8 [0.6-4.6])였습니다(그림 12). 각도 편차는 1.5° ± 0.6°(중앙값 [범위]: 1.5 [0.3-5.0]; 그림 13). 그림 11: 골격 진입점의 기술적 정확도. 상단, 항목의 기술적 정확도; 아래쪽, 중앙값, 사분위간 범위 및 특이치를 보여주는 대응하는 상자 그림입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 12: 표적(드릴 운하 끝)의 기술적 정확도. 상단, 표적 (드릴 운하의 끝)에서의 기술적 정확도; 아래쪽, 중앙값, 사분위간 범위, 이상값을 보여주는 대응하는 상자 그림입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 13: 계획된 경로와 비교한 각도 편차. 상단, 계획된 경로에서 각도 편차; 아래쪽, 중앙값과 사분위수 범위를 보여주는 해당 상자 그림입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

이 연구에서는 멸균 조건에서 HMD를 사용하여 최소 침습 척추경 나사 배치를 위한 새로운 워크플로우를 설명하고 그 정확도를 평가합니다. 두개골 및 척추 내비게이션을 위한 HMD 시스템에 대한 여러 과학 보고서가 있으며, 그 중 2개는 임상 사용에 대한 FDA 승인을 받았습니다^17,18. 다른 연구에서는 무균 환경에서 HMD의 유용성에 대한 유망한 결과를 보여주었으며^19,20 팬텀 및 사체 연구12,13,21에서 우수한 정확도를 보여주었습니다. 현재 연구의 결과는 멸균 환경에서 워크플로우의 유용성과 타당성을 뒷받침하며 현재 장치의 임상 도입을 위한 중요한 기초가 될 수 있습니다.

이 연구는 수술실의 절차에 대한 단계별 설명으로 구별됩니다. 수술 중 CBCT 및 HMD를 포함한 통합 탐색 개념을 사용하여 환자 등록 및 이미지 오버레이를 자동화하여 수술실에서 시간과 노력을 절약할 수 있습니다. 설정이 완료되고 외과의가 눈으로 보정된 HMD를 장착하면 다른 모든 단계를 원활하게 수행할 수 있습니다. 스크류 궤적의 사전 계획의 가장 큰 장점은 올바른 경로에서 벗어난 편차를 즉시 시각화하고 수정할 수 있다는 것입니다.

계획이 완료되면 척추경을 통해 궤적을 볼 수 있으며 척추경의 해부학적 각도와 일치합니다. 다른 궤적의 각도와 일치하지 않는 궤적이 분명해지면 외과의는 후속 막대 배치를 용이하게 하기 위해 궤적을 수정할 수 있습니다. 계획된 궤적이 저장되고 수술 후 스캔에 융합된 후 기술적 정확도를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 맥락에서 기술적 정확도는 내비게이션 시스템의 유입 오류와 계획된 경로를 준수하는 외과의의 능력의 조합입니다. 중요한 것은 확인 CBCT를 수행할 수 있는 가능성이 탐색에도 불구하고 잘못 배치될 수 있는 모든 나사의 수술 중 수정을 허용한다는 것입니다.

CBCT는 수술 중 탐색 및 수술 후 확인을 위해 잘 알려져 있고 널리 사용되는 영상 장치입니다. CBCT는 척추 수술에 일반적으로 사용되는 장치인 C-arm의 2D 이미지에 비해 우수한 품질의 3D 이미지를 제공합니다. CBCT의 영상 품질과 진단 정확도는 기존 CT와 비슷합니다. 셋업 및 멸균 드레이핑에 필요한 시간은 표준 C-arm과 유사하지만 진단 품질의 이미징이 훨씬 우수합니다 22,23,24,25.

진입점과 대상 지점 간의 기술적 정확도 차이는 진입점의 정확도가 선택한 진입점의 해부학적 구조에 크게 의존하기 때문입니다. 진입점이 뼈 표면의 경사면에 배치되면 항상 스카이빙^26,27의 위험이 있습니다. 척추경이 들어가면 단단한 피질 벽이 장치를 안내하므로 흔들릴 공간이 없기 때문에 대상의 편차가 작아집니다.

HMD는 수술 중 CBCT 또는 수술 전 영상에서 렌더링되고 실제 척추에 증강된 3D 모델을 제공합니다. 또한 축면, 시상면, 관상면의 2D 이미지와 외과의가 개인 취향에 따라 가상 공간의 어느 곳에서나 회전하고 위치를 지정할 수 있는 두 번째 3D 모델을 표시합니다. 디스플레이 소프트웨어와의 상호 작용은 현재 리모컨을 사용하여 수행됩니다. 멸균 환경에서 이 리모컨을 사용하려면 멸균 비닐 봉지에 넣어야 합니다. 이는 멸균 환경에서 사용해야 하는 여러 비멸균 핸드헬드 장치의 표준 관행입니다. 그러나 임상 환경에서는 손 제스처 또는 음성 명령이 선호됩니다. 탐색하는 동안 2D 및 3D 보기에서 추적된 기구의 가상 표현은 외과의에게 도움이 되는 시각적 피드백을 제공합니다.

HMD 자체가 진화하여 2세대 Magic Leap은 더 가볍고 시야가 넓어졌습니다. 시야각은 HMD 사용에서 중요한 요소이며 지속적으로 개발되고 있는 기능 중 하나입니다. Magic Leap의 시야는 이 실험을 수행하는 데 매우 효율적이었고 작업 흐름에 어떠한 제한도 가하지 않았습니다. 각 HMD에는 외과의가 멸균 가운 안에 착용해야 하는 자체 소형 컴퓨터가 있습니다. HMD와 내비게이션 간의 통신은 Wi-Fi를 통해 이루어지며, 네트워크 제한으로 인해 지연이 발생할 수 있습니다. 이 제품이 첫 번째 프로토타입임에도 불구하고 현재 결과는 우수한 임상 정확도와 서브밀리미터 기술 정확도를 나타냅니다.

이 연구의 한계는 작은 표본 크기와 돼지, 사체 모델입니다. 호흡과 출혈이 정확도에 미칠 수 있는 영향은 평가할 수 없었다. 최소 침습 기술이 사용되었지만 나사는 삽입되지 않았습니다. 그러나 스크류 카도는 쉽게 볼 수 있었고 금속 인공물의 간섭 없이 정확도를 정확하게 평가할 수 있었습니다. 결론적으로, 이 백서는 HMD AR 내비게이션을 위한 새로운 워크플로우에 대해 자세히 설명합니다. 돼지 모델에서 최소 침습적 척추경 캐뉼레이션에 사용하면 서브밀리미터 기술 정확도와 100% 임상 정확도를 달성할 수 있습니다.

Materials

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