Den huvudmonterade augmented reality-displayen, Magic Leap, användes i kombination med ett konventionellt navigationssystem för att placera pedikelskruvar i en svinmodell genom att följa ett nytt arbetsflöde. Med en medianinsättningstid på <2,5 minuter uppnåddes submillimeter teknisk noggrannhet och 100 % klinisk noggrannhet enligt Gertzbein.
Detta protokoll hjälper till att bedöma noggrannheten och arbetsflödet för ett hybridnavigeringssystem med förstärkt verklighet (AR) med hjälp av Magic Leap huvudmonterad display (HMD) för minimalt invasiv placering av pedikelskruvar. Proverna från liksvin placerades på ett operationsbord och draperades med sterila omslag. Nivåerna av intresse identifierades med hjälp av fluoroskopi, och en dynamisk referensram kopplades till ryggradsprocessen hos en kota i det aktuella området. Konstråledatortomografi (CBCT) utfördes, och en 3D-rendering genererades automatiskt, som användes för den efterföljande planeringen av pedikelskruvarnas placeringar. Varje kirurg utrustades med en HMD som var individuellt ögonkalibrerad och ansluten till ryggradens navigationssystem.
Navigerade instrument, som spåras av navigationssystemet och visas i 2D och 3D i HMD, användes för 33 pedikelkanyleringar, var och en med en diameter på 4,5 mm. Postiniciella CBCT-skanningar bedömdes av en oberoende granskare för att mäta den tekniska (avvikelsen från den planerade vägen) och kliniska (Gertzbein-graden) noggrannheten för varje kanylering. Navigationstiden för varje kanylering mättes. Den tekniska noggrannheten var 1,0 mm ± 0,5 mm vid ingångspunkten och 0,8 mm ± 0,1 mm vid målet. Vinkelavvikelsen var 1,5° ± 0,6° och den genomsnittliga insättningstiden per kanylering var 141 s ± 71 s. Den kliniska träffsäkerheten var 100 % enligt Gertzbeins graderingsskala (32 grad 0; 1 grad 1). När det används för minimalt invasiva pedikelkanyleringar i en svinmodell kan submillimeter teknisk noggrannhet och 100 % klinisk noggrannhet uppnås med detta protokoll.
Korrekt placering av pedikelskruvar är viktigt för att undvika skador på neurovaskulära strukturer i och runt ryggraden. Placeringsnoggrannheten med frihandstekniken är mycket variabel1. Genom att använda 3D-navigering förbättras noggrannheten jämfört med traditionella bildstyrda metoder baserade på intraoperativ fluoroskopi. Högre noggrannhet minskar risken för revisionskirurgi 2,3.
Med uppskattningen att medellivslängden kommer att fortsätta att öka, kommer ett ökande antal äldre patienter att behöva kirurgiska ryggradsoperationer för olika patologier4. Minimalinvasiva metoder vinner mark på grund av deras lägre sjuklighet, särskilt hos äldre 5,6. Dessa tillvägagångssätt är dock beroende av exakta navigationslösningar. Eftersom navigeringen är bildbaserad görs ansträngningar för att minska den intraoperativa strålningsexponeringen för patienter och personal 7,8,9,10.
Augmented reality (AR) är en framväxande teknik inom kirurgisk navigering som syftar till att förbättra noggrannheten och effektiviteten i operationssalen (OR)11. AR överlagrar datorgenererad information på en verklig vy. Detta fungerar särskilt bra när den överlagrade informationen visas via en HMD. För detta ändamål har HMD:er som använder head-up-display-teknik fått uppmärksamhet på grund av sin lilla storlek, bärbarhet och möjligheten att upprätthålla en direkt siktlinje. Flera HMD:er finns idag på marknaden för AR-navigering 12,13,14,15,16.
Magic Leap-headsetet är en optisk genomskinlig HMD, inklusive flera kameror, en djupsensor och tröghetsmätningsenheter, som används för att bestämma headsetets position och orientering i miljön. Syftet med denna studie var att utvärdera arbetsflödet för Magic Leap HMD, i kombination med ett konventionellt navigationssystem och en toppmodern mobil CBCT-enhet, för intraoperativ avbildning i en realistisk kirurgisk miljö.
I denna studie beskrivs ett nytt arbetsflöde för placering av minimalinvasiv pedikelskruv med hjälp av en HMD under sterila förhållanden och dess noggrannhet utvärderas. Det finns flera vetenskapliga rapporter om HMD-system för kraniell och spinal navigering, varav två har fått FDA-godkännande för klinisk användning17,18. Andra studier har visat lovande resultat i användbarheten av HMD i sterila miljöer19,20, samt god noggrannhet i fantom- och kadaverstudier 12,13,21. Resultaten av den aktuella studien stöder användbarheten och genomförbarheten av arbetsflödet i en steril miljö och kan fungera som en viktig grund för den kliniska introduktionen av den nuvarande enheten.
Denna studie kännetecknas av en steg-för-steg-beskrivning av förfarandet i operationssalen. Med hjälp av ett integrerat navigationskoncept, inklusive intraoperativ CBCT och HMD, kan patientregistreringen och bildöverlagringen automatiseras för att spara tid och ansträngning i operationssalen. När installationen är klar och kirurgerna är utrustade med den ögonkalibrerade HMD:n kan alla andra steg utföras sömlöst. En stor fördel med förplaneringen av skruvbanorna är att varje avvikelse från rätt väg omedelbart kan visualiseras och korrigeras.
När planeringen är klar kan banorna ses genom pediklarna och kommer att matcha pediklarnas anatomiska vinklar. Eventuella banor som inte matchar de andras vinkling kommer att bli uppenbara, och kirurgen kan sedan korrigera dem för att underlätta den efterföljande stavplaceringen. De planerade banorna sparas och de kan sedan användas för att bedöma den tekniska noggrannheten efter fusion till de postoperativa skanningarna. I detta sammanhang är teknisk noggrannhet en kombination av navigationssystemets inkommande fel och kirurgens förmåga att hålla sig till den planerade rutten. Viktigt är att möjligheten att utföra en bekräftande CBCT möjliggör intraoperativ revision av alla skruvar som, trots navigering, kan vara felaktigt placerade.
CBCT är en välkänd och allmänt använd avbildningsenhet för intraoperativ navigering och postoperativ verifiering. CBCT ger 3D-bilder av överlägsen kvalitet jämfört med 2D-bilderna från en C-båge, en enhet som vanligtvis används vid ryggradskirurgi. Bildkvaliteten och den diagnostiska noggrannheten hos CBCT är jämförbar med konventionell CT. Tidsåtgången för installation och steril drapering liknar den för en vanlig C-arm men med mycket bättre diagnostisk kvalitet avbildning 22,23,24,25.
Skillnaden i teknisk noggrannhet mellan ingångspunkten och målpunkten är ett resultat av att noggrannheten vid ingångspunkten är starkt beroende av anatomin vid den valda ingångspunkten. Om ingångspunkten placeras i en sluttning på benytan finns det alltid risk för skiving26,27. När pedikeln kommer in kommer de styva kortikala väggarna att styra enheten, och därför kommer avvikelsen vid målet att vara mindre på grund av att det inte finns något utrymme för vickning.
HMD tillhandahåller en 3D-modell som renderas från den intraoperativa CBCT eller preoperativ avbildning och förstärks på den faktiska ryggraden. Dessutom visar den 2D-bilder i axiella, sagittala och koronaplan, samt en andra 3D-modell som kirurgen kan rotera och placera var som helst i det virtuella rummet, baserat på personliga preferenser. Interaktion med bildskärmsprogramvaran utförs för närvarande med hjälp av en fjärrkontroll. För att använda denna fjärrkontroll i en steril miljö måste den placeras i en steril plastpåse. Detta är standardpraxis med flera icke-sterila handhållna enheter som måste användas i sterila miljöer. I en klinisk miljö är dock handgester eller röstkommandon att föredra. Under navigeringen ger virtuella representationer av de spårade instrumenten i 2D- och 3D-vyerna visuell feedback för att hjälpa kirurgen.
HMD i sig har utvecklats, och den andra generationen av Magic Leap är lättare och har ett större synfält. Synfältet är en viktig faktor vid användning av HMD och är en av de funktioner som ständigt vidareutvecklas. Synfältet för Magic Leap var fullt effektivt för att genomföra detta experiment och innebar inga begränsningar för arbetsflödet. Varje HMD har sin egen lilla dator som kirurgen måste bära under sina sterila rockar. Kommunikationen mellan HMD och navigationssystemet sker via Wi-Fi och nätverksbegränsningar kan leda till svarstider. Trots att denna produkt är den första prototypen indikerar de aktuella resultaten utmärkt klinisk noggrannhet och submillimeter teknisk noggrannhet.
Studiens begränsningar är det lilla urvalet och den svinaktiga kadavermodellen. De möjliga effekterna av andning och blödning på noggrannheten kunde inte utvärderas. Trots att en minimalt invasiv teknik användes sattes inga skruvar i. Skruvkanalerna var dock väl synliga och möjliggjorde en noggrann bedömning av noggrannheten utan störningar från metallartefakter. Sammanfattningsvis ger denna artikel en detaljerad beskrivning av ett nytt arbetsflöde för HMD AR-navigering. När den används för minimalt invasiva pedikelkanyleringar i en svinmodell kan submillimeter teknisk noggrannhet och 100 % klinisk noggrannhet uppnås.
The authors have nothing to disclose.
Ingen.
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 |