Использование дополненной реальности как метода нейронавигации при выполнении экстра-интракраниального микроанастомоза

В последние годы нейрохирургия претерпела значительные изменения благодаря внедрению инновационных технологий: нейронавигации, интраоперационных методов визуализации, включая дополненную реальность (AR). AR представляет собой технологию, которая позволяет накладывать виртуальную информацию на реальное окружение, обеспечивая хирургам возможность видеть 3D-модель анатомических и патологических объектов поверх реальных тканей пациента в режиме реального времени.

Одной из областей, в которых AR демонстрирует большой потенциал, является предоперационная разметка и идентификация траектории донорных и реципиентных артерий при выполнении экстра-интракраниальных микроанастомозов (ЭИКМА). Это операция, при которой дистальные ветви наружной сонной артерии (НСА) микрохирургически соединяются с внутричерепными артериями, для дополнения или замещения мозгового кровотока. Такая процедура используется при различных цереброваскулярных заболеваниях, таких как стенооклюзирующее поражение сосудов головного мозга, болезнь моямоя и аневризмы сосудов головного мозга.

Традиционно выбор и размер разреза определяются расположением ветвей наружной сонной артерии, кровоснабжающих мягкие ткани головы (поверхностная височная артерия — ПВА, затылочная артерия) [1]. Для точной идентификации и профилактики повреждений ветвей НСА используются различные методики определения расположения и хода артерий. Многие хирурги используют пальпацию, ультразвуковую допплерографию, оптическую нейронавигацию, компьютерную томографию (КТ) с 3D-реконструкцией, магнитно-резонансную томографию (МРТ) и др. Все эти методы позволяют достоверно определить расположение артерий и спланировать этапы хирургического лечения [2]. Несмотря на наличие множества методов, каждый из них имеет ряд недостатков. В последние годы наблюдается растущий интерес к использованию AR-навигации в сосудистой нейрохирургии [3]. Однако количество публикаций и опыт применения данного метода крайне малы.

Цель исследования — оценка эффективности использования AR в качестве нейронавигационного метода предоперационной разметки при выполнении ЭИКМА.

На базе нейрохирургического отделения №3 им. Ю.М. Филатова ФГАУ НМИЦН им. акад. Н.Н. Бурденко МЗ РФ апробирована методика AR-навигации методом HMD-очков Microsoft Hololens-2 и программного обеспечения ООО «МЕДЖИТАЛ». В рамках работы представлен опыт применения AR-навигации по поводу ЭИКМА у пациентов со сложной аневризмой правой средней мозговой артерии (ПСМА).

Система AR-навигации включала ноутбук с программным обеспечением ООО «ИНОБИТЕК» (Воронеж), Blender (Blender.org), HMD-очки дополненной реальности Microsoft Hololens-2 с программным обеспечением ООО «МЕДЖИТАЛ». В целях создания индивидуальных 3D-голографических моделей для системы AR-навигации использовался разработанный протокол совместно с ООО «МЕДЖИТАЛ» (Санкт-Петебург). Согласно протоколу выполняли МРТ и КТ-ангиографию (КТ-АГ) головы пациента, сегментацию анатомических структур (череп, мозг, интракраниальные сосуды, экстракраниальные сосуды и др.) в программном обеспечении «ИНОБИТЕК» (рис. 1), создание 3D-моделей сегментированных структур в формате.STL (рис. 2), загрузку.STL моделей в программу для 3D-моделирования Blender, выгрузку GLB проекта в память HMD-очков дополненной реальности Microsoft Hololens-2, запуск программы «МЕДЖИТАЛ», привязку.GLB-проекта к анатомии пациента в операционной (рис. 3), использование AR-навигации, трансляцию изображения с очков на ноутбук/монитор телевизора, запись трансляции.

Рис. 1. Данные КТ-ангиографии 2D-изображений в стандартных проекциях и сегментированной модели в режиме 3D в программном обеспечении «ИНОБИТЕК».

КТ — компьютерная томография.

Рис. 2. 3D-реконструкция КТ-ангиограммы головы и сегментированные модели ПВА, ветви М4, дистальных отделов ветви М2 и аневризмы.

КТ — компьютерная томография; ПВА — поверхностная височная артерия.

Рис. 3. Предоперационная разметка с помощью AR-навигации.

а — 3D-проекция ПВА (розовый), тромбированной аневризмы (фиолетовый) и интракраниальных артерий (красный); б — разметка разреза, ПВА и предполагаемой трепанации (черная пунктирная линия).

AR — дополненная реальность; ПВА — поверхностная височная артерия.

Критериями эффективности использования AR-навигации при хирургическом вмешательстве служили точность совпадения 3D-модели и реальных анатомических структур, время, затраченное на подготовку и использования AR-навигации, субъективная оценка удобства и эффективности использования AR-навигации хирургом.

Клиническая апробация AR-навигации проведена рамках договора о сотрудничестве №2/24 от 15.01.2024 между ФГАУ «НМИЦ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» Минздрава России и ООО «МЕДЖИТАЛ». Протокол ЛЭК НМИЦ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко №09/2024 от 23 марта 2024 г. Проведено 50 операций, из которых 3 — у пациентов с ЭИКМА. Информированное согласие на участие в исследование получено от всех пациентов. В представленной работе с целью демонстрации методики описан один клинический случай пациента с гигантской фузиформной частично тромбированной аневризмой средней мозговой артерии справа. Работа выполнена в рамках выполнения плана НИР по гранту РНФ «Методы повышения точности позиционирования с использованием технологии дополненной реальности как способа навигации в хирургическом вмешательстве». Номер проекта: 23-21-00349.

Мужчина, 31 год, госпитализирован после судорожного приступа и потери сознания 26.02.2024 г. При обследовании выявлены гигантская фузиформная частично тромбированная аневризма сегмента М2 ПСМА и субарахноидальное кровоизлияние (рис. 1).

С учетом дистального характера аневризмы и риска внутричерепного кровоизлияния принято решение о проведении микрохирургического лечения. Однако, учитывая характер аневризмы, запланировали проксимальное клипирование аневризмы с последующим наложением ЭИКМА. Выполнено предоперационное моделирование патологической и нормальной 3D-анатомии пациента, сегментированной на основании МРТ и КТ-АГ (рис. 2).

В операционной на этапе разметки проведена синхронизация 3D-модели с пациентом. Визуализированы голографические объекты поверхностной височной артерии, тромбированной части аневризмы, дистальная ветвь М4 и другие интракраниальные артерии (рис. 3). Виртуальные модели сосудов наложены на реальное изображение головы пациента, что позволило точно определить местоположение ПВА и направление разреза. С помощью AR-навигации нанесены маркеры на кожу пациента, указывающие линию разреза и траекторию расположения ПВА, предстоящей трепанации и место выхода на кору теменной доли реципиентной артерии (см. рис. 3).

Под общей анестезией выполнен разрез кожи и мягких тканей по ранее нанесенным маркерам. Дополненная реальность позволила точно идентифицировать и безопасно выделить ПВА (рис. 4). После идентификации ПВА и выделения ее проксимальной части дальнейшая диссекция проводилась под микроскопом без применения AR. На всех этапах краниотомии была отмечена точка выхода реципиентной артерии на кору левой теменной доли. Реципиентная артерия подтверждена пробами проксимального клипирования ветви с аневризмой и применения контактной допплерографии и индоцианина зеленого. С помощью микрохирургической техники транссильвиевым доступом выделены проксимальные отделы аневризмы. Полное выделение аневризмы представлялось травматичным в виду ее расположения в глубине задних отделов сильвиевой щели. Выполнено проксимальное клипирование фузиформной гигантской частично тромбированной аневризмы прямым титановым миниклипсом фирмы «Нейрон-Н» (рис. 5). Затем был выполнен экстра-интракраниальный анастомоз между теменной ветвью ПВА и теменной ветвью М4 сегмента ПСМА. В ходе операции применялись нейрофизиологический мониторинг, контактная допплерография и видеоангиография индоцианином зеленым для контроля и подтверждения эффективности анастомоза.

Рис. 4. Интраоперационный вид раны правой височной области.

а — видна поверхностная фасция височной мышцы и подкожно-жировая клетчатка, ПВА не видна; б — голографическая проекция 3D-модели ПВА на рану, виден ход ствола, лобной и теменной ветвей, черной стрелкой отмечена петля теменной ветви; в — идентифицированная теменная ветвь ПВА, стрелкой отмечена совпавшая с AR-навигацией петля.

AR — дополненная реальность; ПВА — поверхностная височная артерия.

Рис. 5. Интраоперационный вид созданного ЭИКМА «конец-в-бок» (черная стрелка, а); вид трепанационного окна и созданного ЭИКМА (черная стрелка; б); подтверждение функционирования анастомоза при видеоангиографии с индоцианином зеленым (в); послеоперационная КТ-ангиография, подтверждены тромбирование аневризмы (красная стрелка) и функционирование ЭИКМА (черная стрелка — место анастомоза, красная пунктирная линия — ход теменной ветви ПВА интракраниально; г); ЭИКМА — экстра-интракраниальный микроанастомоз; КТ — компьютерная томография; ПВА — поверхностная височная артерия.

На 1-е сутки после операции состояние пациента было удовлетворительным. Неврологический статус после операции без отрицательной динамики. Контрольная КТ-АГ показала отсутствие постоперационных осложнений, тромбирование аневризмы и полноценное функционирование анастомоза. Пациент был выписан в удовлетворительном состоянии под наблюдение врачей по месту жительства на 7-е сутки.

Точность совпадения 3D-модели и реальных анатомических структур в момент операции была высокой. Погрешность не превышала 5 мм.

Время, затраченное на каждом этапе подготовки и использования AR-навигации, включало следующие компоненты:

— сегментация модели — 20 мин;

— загрузка модели для AR-очков и настройка интерфейса программного обеспечения «МЕДЖИТАЛ» — 5 мин;

— синхронизация 3D-модели — 5 мин;

— использование AR-навигации в момент операции (зависит от цели, в частности, для разметки) — 2 мин.

Хирург отметил значительное удобство и эффективность использования AR-навигации, подчеркнув, что технология значительно облегчила идентификацию сосудов и выполнение операции.

Нейронавигация при нейрохирургических операциях стала ценным вспомогательным инструментом для нейрохирургов всего мира. Основным ограничением является необходимость мысленно интегрировать 2D-нейровизуализацию, отображаемую на экране, в операционное поле [4]. Технология AR позволяет хирургам получать информацию о персонализированной нейровизуализации в режиме реального времени, не отходя от пациента [5]. Потенциально существуют технологии получения AR-информации через окуляры микроскопа, что теоретически уменьшает ошибки, связанные с неправильными расчетами хирурга при интеграции двумерных (2D) изображений с экрана в трехмерное (3D) хирургическое поле [6, 7].

AR продолжает набирать популярность в нейрохирургии, начиная с первых описаний ее использования в 90-х годах XX века, и частота ее применения увеличивается за последнее десятилетие [8, 9]. В литературе основное внимание уделяется использованию AR при операциях на мозговых опухолях и аневризмах, а ее применение в церебральной реваскуляризации недавно описали I. Cabrilo и соавт. [10], которые обнаружили, что AR полезна для хирургического планирования и повышения точности процедур.

В исследовании J. Ryken и соавт. [3] рассмотрены опыт использования AR при ЭИКМА, а также новые технические детали для повышения безопасности и эффективности операции. Были проанализированы 18 последовательных операций STA-MCA у 15 пациентов, большинство из которых страдали болезнью моямоя. Авторы использовали стандартные предоперационные ангиографические изображения для интеграции в единую 3D-матрицу (Brainlab Cranial Navigation, Brainlab AG, Мюнхен, Германия). Анатомические данные затем интегрировались с микроскопом и накладывались на пациента, создавая среду AR. Авторы обнаружили, что AR облегчила идентификацию донорского сосуда, позволяя хирургу напрямую визуализировать ПВА во время его выделения, что потенциально снижает риски. Как и в исследовании Cabrilo и соавт. [10], они обнаружили улучшение рабочего процесса и точности выполнения краниотомии с возможностью точного ее расположения над реципиентным сосудом с использованием AR. Кроме того, J. Ryken и соавт. [3] внедрили два других процесса для повышения безопасности операции: адаптацию краниотомии с использованием AR для идентификации средней менингеальной артерии и первичной моторной коры. Это позволило улучшить дураэнцефалосинангоз и уменьшить риск развития инсульта в случаях с ранее существующими дуральными коллатералями [3].

Исследования показали, что использование AR для предоперационного планирования потенциально может сократить время операции и уменьшить риск развития интраоперационных осложнений [4]. Несмотря на очевидные преимущества, применение AR в сосудистой нейрохирургии имеет ряд ограничений. Во-первых, необходимость в специализированном оборудовании и программном обеспечении могут ограничивать широкое распространение технологии. Существует отечественное программное обеспечение «МЕДЖИТАЛ», способное решить эту проблему [11]. Во-вторых, интеграция AR-систем в операционные процессы требует значительных усилий по обучению персонала и адаптации существующих методик. Наконец, необходимо учитывать возможные технические сбои и артефакты, которые могут влиять на точность визуализации. Как и в нашем исследовании, небольшой размер исследований и их ретроспективный характер ограничивают степень доказательности. Все это не уменьшает значимости метода. Дополненная реальность является важным методом, который используется в нейрохирургии и представляет собой полезную технологию для облегчения разметки при ЭИКМА.

Текущие достижения в области дополненной реальности открывают новые возможности для повышения точности и безопасности сосудистых операций, таких как экстра-интракраниальный микроанастомоз. Применение дополненной реальности позволяет улучшить предоперационное планирование, интраоперационную навигацию, что потенциально может улучшить результаты лечения пациентов.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — А.Н. Коновалов, Ю.В. Пилипенко

Сбор и обработка материала — А.А. Артемьев, С.В. Стрелков, А.Ю. Смирнов

Написание текста — А.Н. Коновалов, Д.Н. Окишев, Г.Ш. Мамедбекова

Редактирование — Ш.Ш. Элиава, Е.В. Блинова, В.М. Иванов

Participation of authors:

Concept and design of the study — A.N. Konovalov, Yu.V. Pilipenko

Data collection and processing — A.A. Artemyev, S.V. Strelkov, A.Yu. Smirnov

Text writing — A.N. Konovalov, D.N. Okishev, G.Sh. Mamedbekova

Editing — Sh.Sh. Eliava, E.V. Blinova, V.M. Ivanov

Статья подготовлена в рамках реализации плана научно-исследовательских работ по гранту РГНФ «Методы повышения точности позиционирования с использованием технологии дополненной реальности как способа навигации в хирургии». Номер проекта: 23-21-00349.

The article was prepared as part of the implementation of the R&D plan under the RGNF grant “Methods for improving positioning accuracy using augmented reality technology as a way of navigation in surgery.” Project number: 23-21-00349.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.