מיקום בורג פדיקל באמצעות תצוגה המורכבת על ראש מציאות רבודה בדגם חזירי
Summary
תצוגת המציאות הרבודה המותקנת על הראש, Magic Leap, שימשה בשילוב עם מערכת ניווט קונבנציונלית כדי למקם ברגי פדיקל בדגם חזירי על ידי הקפדה על זרימת עבודה חדשנית. עם זמן החדרה חציוני של <2.5 דקות, דיוק טכני תת-מילימטרי ודיוק קליני של 100% הושגו על פי גרצביין.
Abstract
פרוטוקול זה מסייע להעריך את הדיוק ואת זרימת העבודה של מערכת ניווט היברידית של מציאות רבודה (AR) באמצעות התצוגה המותקנת על הראש Magic Leap (HMD) למיקום בורג פדיקל זעיר פולשני. דגימות הגופה הונחו על שולחן ניתוחים ועטופו בכיסויים סטריליים. רמות העניין זוהו באמצעות פלואורוסקופיה, ומסגרת ייחוס דינמית הוצמדה לתהליך עמוד השדרה של חוליה באזור העניין. טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט (CBCT) בוצעה, ועיבוד תלת ממדי נוצר באופן אוטומטי, ששימש לתכנון הבא של מיקומי בורג הפדיקול. לכל מנתח הותאם HMD שכויל באופן אינדיבידואלי וחובר למערכת הניווט בעמוד השדרה.
מכשירי ניווט, שאותרו על ידי מערכת הניווט והוצגו בדו-ממד ובתלת-ממד ב-HMD, שימשו ל-33 שימורי פדיקור, כל אחד בקוטר של 4.5 מ”מ. סריקות CBCT פוסט-פרוצדורליות הוערכו על ידי סוקר עצמאי כדי למדוד את הדיוק הטכני (סטייה מהנתיב המתוכנן) והקליני (ציון גרצביין) של כל קנולציה. זמן הניווט של כל קנולציה נמדד. הדיוק הטכני היה 1.0 מ”מ ±-0.5 מ”מ בנקודת הכניסה ו-0.8 מ”מ ±-0.1 מ”מ במטרה. הסטייה הזוויתית הייתה 1.5° ±-0.6°, וזמן ההחדרה הממוצע לקנולציה היה 141 שניות ±-71 שניות. הדיוק הקליני היה 100% על פי סולם הדירוג של גרצביין (32 כיתה 0; 1 כיתה 1). כאשר נעשה שימוש בקנולציות פדיקור זעיר פולשניות במודל חזירי, ניתן להשיג דיוק טכני תת-מילימטרי ודיוק קליני של 100% באמצעות פרוטוקול זה.
Introduction
מיקום נכון של ברגי פדיקל חשוב כדי למנוע נזק למבנים נוירו-וסקולריים בעמוד השדרה ובסביבתו. דיוק המיקום בטכניקת היד החופשית משתנה מאוד1. על ידי שימוש בניווט תלת-ממדי, הדיוק משופר בהשוואה לשיטות מונחות תמונה מסורתיות המבוססות על פלואורוסקופיה תוך ניתוחית. דיוק גבוה יותר מפחית את הסיכון לניתוח רוויזיה 2,3.
עם ההערכה כי תוחלת החיים הממוצעת תמשיך לעלות, מספר גדל והולך של חולים קשישים יזדקקו להליכים כירורגיים בעמוד השדרה עבור פתולוגיות שונות4. גישות זעיר פולשניות צוברות תאוצה בשל התחלואה הנמוכה יותר, במיוחד בקרב קשישיםבני 5,6. עם זאת, גישות אלה תלויות בפתרונות ניווט מדויקים. מכיוון שהניווט מבוסס על תמונות, נעשים מאמצים להפחית את החשיפה לקרינה תוך ניתוחית של חולים ואנשי צוות 7,8,9,10.
מציאות רבודה (AR) היא טכנולוגיה מתפתחת בתחום הניווט הכירורגי שמטרתה לשפר את הדיוק והיעילות בחדר ניתוח (OR)11. מציאות רבודה כופה מידע שנוצר על ידי מחשב על תפיסת עולם אמיתית. זה עובד טוב במיוחד כאשר המידע מונח על גבי נראה דרך HMD. למטרה זו, HMDs המשתמשים בטכנולוגיית תצוגה עילית זכו לתשומת לב בשל גודלם הקטן, ניידותם והאפשרות לשמור על קו ראייה ישיר. מספר HMDs זמינים כיום בשוק עבור ניווט AR 12,13,14,15,16.
אוזניות Magic Leap הן HMD אופטי שקוף, הכולל מספר מצלמות, חיישן עומק ויחידות מדידה אינרציאליות, המשמשות לקביעת המיקום והכיוון של האוזניות בסביבה. מטרת מחקר זה הייתה להעריך את זרימת העבודה של Magic Leap HMD, בשילוב עם מערכת ניווט קונבנציונלית ומכשיר CBCT נייד חדיש, לצורך הדמיה תוך ניתוחית בסביבה כירורגית מציאותית.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר זה מתואר תהליך עבודה חדשני למיקום בורג פדיקל זעיר פולשני באמצעות HMD בתנאים סטריליים ומוערך דיוקו. ישנם מספר דוחות מדעיים על מערכות HMD לניווט גולגולתי ועמוד שדרה, שניים מהם קיבלו אישור FDA לשימוש קליני17,18. מחקרים אחרים הראו תוצאות מבטיחות בשימושיות של HMDs בסביבות סטריליות19,20, כמו גם דיוק טוב במחקרי פנטום וגופות 12,13,21. תוצאות המחקר הנוכחי תומכות בתועלת ובהיתכנות של זרימת העבודה בסביבה סטרילית ויכולות לשמש בסיס חשוב להצגה הקלינית של המכשיר הנוכחי.
מחקר זה נבדל על ידי תיאור שלב אחר שלב של ההליך ב- OR. באמצעות תפיסת ניווט משולבת, כולל CBCT תוך ניתוחי ו- HMD, ניתן להפוך את רישום המטופל ואת שכבת התמונה לאוטומטיים כדי לחסוך זמן ומאמץ בחדר הניתוח. לאחר השלמת ההתקנה והמנתחים מצוידים ב-HMD המכויל לעין, ניתן לבצע את כל השלבים האחרים בצורה חלקה. יתרון גדול של תכנון מראש של מסלולי הבורג הוא שכל סטייה מהנתיב הנכון ניתנת מיד לדמיין ולתקן.
כאשר התכנון הושלם, ניתן יהיה לראות את המסלולים דרך הפדיקלים ויתאימו לזוויות האנטומיות של הפדיקלים. כל מסלול שאינו תואם את הזווית של האחרים יתברר, והמנתח יוכל לתקן אותם כדי להקל על מיקום המוט הבא. המסלולים המתוכננים נשמרים, ולאחר מכן ניתן להשתמש בהם כדי להעריך את הדיוק הטכני לאחר האיחוי לסריקות שלאחר הניתוח. בהקשר זה, דיוק טכני הוא שילוב של טעות הכניסה של מערכת הניווט ויכולתו של המנתח לדבוק בנתיב המתוכנן. חשוב לציין, האפשרות לבצע אישור CBCT מאפשרת תיקון תוך ניתוחי של כל בורג אשר, למרות הניווט, עלול להיות ממוקם באופן שגוי.
CBCT הוא מכשיר הדמיה ידוע ונפוץ לניווט תוך ניתוחי ואימות לאחר ניתוח. CBCT מספק תמונות תלת-ממדיות באיכות מעולה בהשוואה לתמונות הדו-ממדיות מזרוע C, מכשיר נפוץ בניתוחי עמוד שדרה. איכות התמונה ודיוק האבחון של CBCT דומים ל- CT קונבנציונאלי. דרישת הזמן להתקנה ולגרירה סטרילית דומה לזו של זרוע C סטנדרטית אך עם הדמיה באיכות אבחון טובה בהרבה 22,23,24,25.
ההבדל בדיוק הטכני בין נקודת הכניסה לנקודת היעד נובע מכך שהדיוק בנקודת הכניסה תלוי מאוד באנטומיה בנקודת הכניסה שנבחרה. אם נקודת הכניסה ממוקמת על מדרון על משטח העצם, תמיד יש סיכון של החלקה26,27. כאשר נכנסים לפדיקור, דפנות קליפת המוח הנוקשות ינחו את המכשיר, ולכן הסטייה למטרה תהיה קטנה יותר מכיוון שאין מקום לנענועים.
HMD מספק מודל תלת-ממדי המעובד מתוך CBCT תוך ניתוחי או הדמיה טרום ניתוחית ומוגדל על עמוד השדרה בפועל. בנוסף, הוא מציג תמונות דו-ממדיות במישור הצירי, הקשת והעטרה, כמו גם מודל תלת-ממדי שני שהמנתח יכול לסובב ולמקם בכל מקום במרחב הווירטואלי, על פי העדפה אישית. האינטראקציה עם תוכנת התצוגה מתבצעת כיום באמצעות שלט רחוק. כדי להשתמש בשלט רחוק זה בסביבה סטרילית, יהיה צורך להכניס אותו לשקית ניילון סטרילית. זהו נוהג סטנדרטי עם מספר מכשירי כף יד לא סטריליים שיש להשתמש בהם בסביבות סטריליות. עם זאת, בסביבה קלינית, מחוות ידיים או פקודות קוליות יהיו מועדפות. במהלך הניווט, ייצוגים וירטואליים של מכשירי המעקב בתצוגות הדו-ממדיות והתלת-ממדיות מספקים משוב חזותי כדי לסייע למנתח.
HMD עצמו התפתח, והדור השני של Magic Leap קל יותר ובעל שדה ראייה גדול יותר. שדה הראייה הוא גורם חשוב בשימוש ב- HMDs ומייצג את אחד המאפיינים שמתפתחים כל הזמן. שדה הראייה של Magic Leap היה יעיל לחלוטין לביצוע ניסוי זה ולא הציב מגבלות כלשהן לזרימת העבודה. לכל HMD יש מחשב קטן משלו שהמנתח צריך ללבוש מתחת לשמלות הסטריליות שלו. התקשורת בין HMD למערכת הניווט היא באמצעות Wi-Fi, ומגבלות רשת עלולות לגרום להשהיה. למרות שמוצר זה הוא אב הטיפוס הראשון, התוצאות הנוכחיות מצביעות על דיוק קליני מעולה ודיוק טכני תת-מילימטרי.
מגבלותיו של מחקר זה הן גודל המדגם הקטן והמודל החזירי, הגווארי. לא ניתן היה להעריך את ההשפעות האפשריות של נשימה ודימום על הדיוק. למרות שנעשה שימוש בטכניקה זעיר פולשנית, לא הוכנסו ברגים. עם זאת, תעלות הבורג היו גלויות לעין ואפשרו הערכה מדויקת של דיוק ללא הפרעה של חפצי מתכת. לסיכום, מאמר זה מספק תיאור מפורט של זרימת עבודה חדשנית עבור ניווט HMD AR. כאשר משתמשים בו עבור קנולציות פדיקור זעיר פולשניות במודל חזירי, ניתן להשיג דיוק טכני תת-מילימטרי ודיוק קליני של 100%.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ללא.
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 |
References
- Kosmopoulos, V., Schizas, C. Pedicle screw placement accuracy: A meta-analysis. Spine. 32 (3), 111-1120 (2007).
- Perdomo-Pantoja, A., et al. Accuracy of current techniques for placement of pedicle screws in the spine: A comprehensive systematic review and meta-analysis of 51,161 screws. World Neurosurgery. 126, 664-678 (2019).
- Elmi-Terander, A., et al. Augmented reality navigation with intraoperative 3D imaging vs fluoroscopy-assisted free-hand surgery for spine fixation surgery: A matched-control study comparing accuracy. Scientific Reports. 10, 707 (2020).
- Deyo, R. A., et al. Trends, major medical complications, and charges associated with surgery for lumbar spinal stenosis in older adults. JAMA. 303 (13), 1259-1265 (2010).
- Lee, D. G., Park, C. K., Lee, D. C. Clinical and radiological comparison of 2 level anterior lumbar interbody fusion with posterolateral fusion and percutaneous pedicle screw in elderly patients with osteoporosis. Medicine. 99 (10), 19205 (2020).
- Shamji, M. F., Goldstein, C. L., Wang, M., Uribe, J. S., Fehlings, M. G. Minimally invasive spinal surgery in the elderly: Does it make sense. Neurosurgery. 77, 108-115 (2015).
- Bourgeois, A. C., et al. Improved accuracy of minimally invasive transpedicular screw placement in the lumbar spine with 3-dimensional stereotactic image guidance: A comparative meta-analysis. Journal of Spinal Disorders and Techniques. 28 (9), 324-329 (2015).
- Innocenzi, G., Bistazzoni, S., D’Ercole, M., Cardarelli, G., Ricciardi, F. Does navigation improve pedicle screw placement accuracy? Comparison between navigated and non-navigated percutaneous and open fixations. Acta Neurochirurgica. Supplement. 124, 289-295 (2017).
- Fomekong, E., Safi, S. E., Raftopoulos, C. Spine navigation based on 3-dimensional robotic fluoroscopy for accurate percutaneous pedicle screw placement: A prospective study of 66 consecutive cases. World Neurosurgery. 108, 76-83 (2017).
- Yu, E., Khan, S. N. Does less invasive spine surgery result in increased radiation exposure? A systematic review. Clinical Orthopaedics and Related Research. 472 (6), 1738-1748 (2014).
- Burström, G., Persson, O., Edström, E., Elmi-Terander, A. J. A. N. Augmented reality navigation in spine surgery: A systematic review. Acta Neurochirurgica. 163 (3), 843-852 (2021).
- Frisk, H., et al. Feasibility and accuracy of thoracolumbar pedicle screw placement using an augmented reality head mounted device. Sensors. 22 (2), 522 (2022).
- Liebmann, F., et al. Pedicle screw navigation using surface digitization on the Microsoft HoloLens. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 14 (7), 1157-1165 (2019).
- Molina, C. A., et al. Augmented reality-assisted pedicle screw insertion: A cadaveric proof-of-concept study. Journal of Neurosurgery. Spine. 31 (1), 139-146 (2019).
- Yanni, D. S., et al. Real-time navigation guidance with intraoperative CT imaging for pedicle screw placement using an augmented reality head-mounted display: A proof-of-concept study. Neurosurgical Focus. 51 (2), 11 (2021).
- Liu, H., et al. Percutaneous placement of lumbar pedicle screws via intraoperative CT image-based augmented reality-guided technology. Journal of Neurosurgery. Spine. 32 (4), 542-547 (2019).
- Bhatt, F. R., et al. Augmented reality-assisted spine surgery: An early experience demonstrating safety and accuracy with 218 screws. Global Spine Journal. , (2022).
- Felix, B., et al. Augmented reality spine surgery navigation: Increasing pedicle screw insertion accuracy for both open and minimally invasive spine surgeries. Spine. 47 (12), 865-872 (2022).
- Dennler, C., et al. Augmented reality in the operating room: A clinical feasibility study. BMC Musculoskeletal Disorders. 22 (1), 451 (2021).
- Cofano, F., et al. Augmented reality in medical practice: From spine surgery to remote assistance. Frontiers in Surgery. 8, 657901 (2021).
- Muller, F., et al. Augmented reality navigation for spinal pedicle screw instrumentation using intraoperative 3D imaging. Spine Journal. 20 (4), 621-628 (2020).
- Burström, G., et al. Intraoperative cone beam computed tomography is as reliable as conventional computed tomography for identification of pedicle screw breach in thoracolumbar spine surgery. European Radiology. 31 (4), 2349-2356 (2020).
- Edström, E., Burström, G., Nachabe, R., Gerdhem, P., Elmi Terander, A. A novel augmented-reality-based surgical navigation system for spine surgery in a hybrid operating room: Design, workflow, and clinical applications. Operative Neurosurgery. 18 (5), 496-502 (2020).
- Feng, W., Wang, W., Chen, S., Wu, K., Wang, H. O-arm navigation versus C-arm guidance for pedicle screw placement in spine surgery: A systematic review and meta-analysis. International Orthopaedics. 44 (5), 919-926 (2020).
- Cewe, P., Vorbau, R., Omar, A., Elmi-Terander, A., Edstrom, E. Radiation distribution in a hybrid operating room, utilizing different X-ray imaging systems: Investigations to minimize occupational exposure. Journal of Neurointerventional Surgery. 14 (11), 1139-1144 (2021).
- Su, B. W., et al. An anatomical study of the mid-lateral pars relative to the pedicle footprint in the lower lumbar spine. Spine. 34 (13), 1355-1362 (2009).
- Burström, G., Nachabe, R., Persson, O., Edstrom, E., Elmi Terander, A. Augmented and virtual reality instrument tracking for minimally invasive spine surgery: A feasibility and accuracy study. Spine. 44 (15), 1097-1104 (2019).
