Domuz modelinde artırılmış gerçeklik kafasına takılan ekran kullanarak pedikül vidası yerleştirme
Summary
Artırılmış gerçeklik başa takılan ekran Magic Leap, yeni bir iş akışına bağlı kalarak bir domuz modeline pedikül vidaları yerleştirmek için geleneksel bir navigasyon sistemi ile birlikte kullanıldı. Gertzbein’e göre <2,5 dakikalık medyan yerleştirme süresi ile milimetre altı teknik doğruluk ve %100 klinik doğruluk elde edildi.
Abstract
Bu protokol, minimal invaziv pedikül vidası yerleşimi için Magic Leap başa takılan ekranı (HMD) kullanarak artırılmış gerçeklik (AR) hibrit navigasyon sisteminin doğruluğunu ve iş akışını değerlendirmeye yardımcı olur. Kadavra domuz örnekleri ameliyat masasına yerleştirildi ve steril örtülerle örtüldü. İlgilenilen seviyeler floroskopi kullanılarak belirlendi ve ilgilenilen bölgedeki bir omurun dikenli sürecine dinamik bir referans çerçevesi eklendi. Koni ışınlı bilgisayarlı tomografi (CBCT) yapıldı ve pedikül vidası yerleşimlerinin sonraki planlaması için kullanılan bir 3D render otomatik olarak oluşturuldu. Her cerraha, ayrı ayrı göz kalibrasyonu yapılmış ve spinal navigasyon sistemine bağlı bir HMD takıldı.
Navigasyon sistemi tarafından izlenen ve HMD’de 2D ve 3D olarak görüntülenen navigasyon aletleri, her biri 4,5 mm çapında 33 pedikül kanülasyonu için kullanıldı. İşlem sonrası CBCT taramaları, her bir kanülasyonun teknik (planlanan yoldan sapma) ve klinik (Gertzbein derecesi) doğruluğunu ölçmek için bağımsız bir gözden geçiren tarafından değerlendirildi. Her kanülasyon için navigasyon süresi ölçüldü. Teknik doğruluk, giriş noktasında 1,0 mm ± 0,5 mm ve hedefte 0,8 mm ± 0,1 mm idi. Açısal sapma 1.5 ° ± 0.6 ° idi ve kanülasyon başına ortalama yerleştirme süresi 141 s ± 71 s idi. Klinik doğruluk Gertzbein derecelendirme ölçeğine göre %100 idi (32 derece 0; 1 derece 1). Bir domuz modelinde minimal invaziv pedikül kanülasyonları için kullanıldığında, bu protokolle milimetre altı teknik doğruluk ve %100 klinik doğruluk elde edilebilir.
Introduction
Pedikül vidalarının doğru yerleştirilmesi, omurga içindeki ve çevresindeki nörovasküler yapılara zarar vermemek için önemlidir. Serbest el tekniğini kullanan yerleştirme doğruluğu oldukça değişkendir1. 3D navigasyon kullanılarak, intraoperatif floroskopiye dayalı geleneksel görüntü kılavuzlu yöntemlere kıyasla doğruluk artırılır. Daha yüksek doğruluk, revizyon cerrahisi riskini azaltır 2,3.
Ortalama yaşam süresinin artmaya devam edeceği tahminiyle, artan sayıda yaşlı hasta çeşitli patolojiler için cerrahi omurga prosedürlerine ihtiyaç duyacaktır4. Minimal invaziv yaklaşımlar, özellikle yaşlılarda daha düşük morbiditeleri nedeniyle zemin kazanmaktadır 5,6. Ancak, bu yaklaşımlar doğru seyir çözümlerine bağlıdır. Navigasyon görüntü tabanlı olduğundan, hastaların ve personelin intraoperatif radyasyon maruziyetini azaltmak için çaba sarf edilmektedir 7,8,9,10.
Artırılmış gerçeklik (AR), ameliyathanede (OR) doğruluğu ve etkinliği artırmayı amaçlayan, cerrahi navigasyonda yeni bir teknolojidir11. AR, bilgisayar tarafından oluşturulan bilgileri gerçek dünya görünümünün üzerine yerleştirir. Bu, özellikle üst üste binen bilgiler bir HMD aracılığıyla görüldüğünde iyi çalışır. Bu amaçla, head-up display teknolojisini kullanan HMD’ler, küçük boyutları, taşınabilirlikleri ve doğrudan bir görüş hattını koruma olanakları nedeniyle dikkat çekmiştir. AR navigasyonu 12,13,14,15,16 için bugün piyasada birkaç HMD mevcuttur.
Magic Leap kulaklık, kulaklığın ortamdaki konumunu ve yönünü belirlemek için kullanılan birkaç kamera, bir derinlik sensörü ve atalet ölçüm birimleri içeren optik şeffaf bir HMD’dir. Bu çalışmanın amacı, gerçekçi bir cerrahi ortamda intraoperatif görüntüleme için geleneksel bir navigasyon sistemi ve son teknoloji mobil CBCT cihazı ile birlikte Magic Leap HMD’nin iş akışını değerlendirmekti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada, steril koşullarda bir HMD kullanılarak minimal invaziv pedikül vidası yerleştirilmesi için yeni bir iş akışı tanımlanmış ve doğruluğu değerlendirilmiştir. Kraniyal ve spinal navigasyon için HMD sistemleri hakkında birkaç bilimsel rapor vardır ve bunlardan ikisi klinik kullanım için FDA onayı almıştır17,18. Diğer çalışmalar, HMD’lerin steril ortamlardakullanılabilirliği 19,20 ve fantom ve kadavra çalışmalarında iyi doğruluk konusunda umut verici sonuçlar göstermiştir 12,13,21. Mevcut çalışmanın sonuçları, steril bir ortamda iş akışının kullanışlılığını ve fizibilitesini desteklemektedir ve mevcut cihazın klinik tanıtımı için önemli bir temel oluşturabilir.
Bu çalışma, ameliyathanedeki prosedürün adım adım tanımlanması ile ayırt edilir. İntraoperatif CBCT ve HMD dahil olmak üzere entegre bir navigasyon konsepti kullanılarak, ameliyathanede zamandan ve emekten tasarruf etmek için hasta kaydı ve görüntü yerleşimi otomatikleştirilebilir. Kurulum tamamlandıktan ve cerrahlar göz kalibrasyonlu HMD ile donatıldıktan sonra, diğer tüm adımlar sorunsuz bir şekilde gerçekleştirilebilir. Vida yörüngelerinin önceden planlanmasının büyük bir avantajı, doğru yoldan herhangi bir sapmanın hemen görselleştirilebilmesi ve düzeltilebilmesidir.
Planlama tamamlandığında, yörüngeler pediküllerden görülebilir ve pediküllerin anatomik açılarıyla eşleşir. Diğerlerinin açılanmasına uymayan herhangi bir yörünge belirginleşecektir ve cerrah daha sonra sonraki çubuk yerleşimini kolaylaştırmak için bunları düzeltebilir. Planlanan yörüngeler kaydedilir ve daha sonra postoperatif taramalara füzyondan sonra teknik doğruluğu değerlendirmek için kullanılabilirler. Bu bağlamda, teknik doğruluk, navigasyon sisteminin gelen hatası ile cerrahın planlanan yola uyma yeteneğinin bir birleşimidir. Daha da önemlisi, bir doğrulama CBCT gerçekleştirme olasılığı, navigasyona rağmen yanlış yerleştirilmiş olabilecek herhangi bir vidanın intraoperatif revizyonuna izin verir.
KIBT, intraoperatif navigasyon ve postoperatif doğrulama için iyi bilinen ve yaygın olarak kullanılan bir görüntüleme cihazıdır. CBCT, omurga cerrahisinde yaygın olarak kullanılan bir cihaz olan C-kolundan alınan 2D görüntülere kıyasla üstün kalitede 3D görüntüler sağlar. CBCT’nin görüntü kalitesi ve tanısal doğruluğu konvansiyonel BT ile karşılaştırılabilir. Kurulum ve steril örtüleme için zaman gereksinimi, standart bir C-kolununkine benzer, ancak çok daha iyi tanısal kaliteye sahiptir:görüntüleme 22,23,24,25.
Giriş noktası ile hedef nokta arasındaki teknik doğruluk farkı, giriş noktasındaki doğruluğun büyük ölçüde seçilen giriş noktasındaki anatomiye bağlı olmasının bir sonucudur. Giriş noktası kemik yüzeyindeki bir eğime yerleştirilirse, her zaman kayma riski vardır26,27. Pediküle girildiğinde, sert kortikal duvarlar cihazı yönlendirecek ve bu nedenle, kıpırdamaya yer olmadığı için hedefteki sapma daha küçük olacaktır.
HMD, intraoperatif CBCT veya preoperatif görüntülemeden oluşturulan ve gerçek omurgaya büyütülen bir 3D model sağlar. Ek olarak, eksenel, sagital ve koronal düzlemlerde 2D görüntülerin yanı sıra cerrahın kişisel tercihine göre sanal alanda herhangi bir yere döndürebileceği ve konumlandırabileceği ikinci bir 3D model görüntüler. Ekran yazılımıyla etkileşim şu anda bir uzaktan kumanda kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu uzaktan kumandayı steril bir ortamda kullanmak için steril bir plastik torbaya yerleştirilmesi gerekir. Bu, steril ortamlarda kullanılması gereken birkaç steril olmayan el cihazında standart bir uygulamadır. Bununla birlikte, klinik bir ortamda, el hareketleri veya sesli komutlar tercih edilecektir. Navigasyon sırasında, izlenen aletlerin 2D ve 3D görünümlerdeki sanal temsilleri, cerraha yardımcı olmak için görsel geri bildirim sağlar.
HMD’nin kendisi gelişti ve ikinci nesil Magic Leap daha hafif ve daha geniş bir görüş alanına sahip. Görüş alanı, HMD’lerin kullanımında önemli bir faktördür ve sürekli olarak daha da geliştirilmekte olan özelliklerden birini temsil eder. Magic Leap’in görüş alanı, bu deneyi yürütmek için tamamen verimliydi ve iş akışı için herhangi bir sınırlama oluşturmadı. Her HMD’nin, cerrahın steril önlüklerinin altına giymesi gereken kendi küçük bilgisayarı vardır. HMD ile navigasyon sistemi arasındaki iletişim Wi-Fi üzerinden gerçekleşir ve ağ sınırlamaları gecikmeye neden olabilir. Bu ürün ilk prototip olmasına rağmen, mevcut sonuçlar mükemmel klinik doğruluk ve milimetre altı teknik doğruluk göstermektedir.
Bu çalışmanın sınırlılıkları, küçük örneklem büyüklüğü ve domuz, kadavra modelidir. Solunum ve kanamanın doğruluk üzerindeki olası etkileri değerlendirilemedi. Minimal invaziv bir teknik kullanılmasına rağmen, vida takılmadı. Bununla birlikte, vida kanalları kolayca görülebiliyordu ve metal artefaktların müdahalesi olmadan doğruluğun doğru bir şekilde değerlendirilmesine izin veriyordu. Sonuç olarak, bu makale HMD AR navigasyonu için yeni bir iş akışının ayrıntılı bir açıklamasını sunmaktadır. Bir domuz modelinde minimal invaziv pedikül kanülasyonları için kullanıldığında, milimetre altı teknik doğruluk ve %100 klinik doğruluk elde edilebilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Hiç kimse.
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).
