Принцип трехмерной визуальной среды операционного поля в ринохирургии

На современном этапе развития оперативной оториноларингологии 3D-хирургия имеет первостепенное значение в лечении заболеваний носа и околоносовых пазух, так как возможности трехмерного пространства используются для понимания размера, объема и структуры анатомических образований. Использование модифицированной и классической классификации F.A. Kuhn [1] позволяет понять трехмерное объемное взаиморасположение системы параназальных клеток как последовательность выстроенных блоков, взаимосвязанных между собой, что снижает риск повреждений важных анатомических образований, травматизация которых осложняет ход операции. Большое значение имеет мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ), с помощью которой можно предварительно определить способ и стратегию дальнейшего лечения, основываясь на более точной и информативной трехмерной анатомической модели пациента [2]. Исходя из полученных данных, хирурги имеют возможность планировать и моделировать операционный доступ с помощью дополненной реальности и компьютерной навигации у определенного пациента, которая выступает в роли проводника, обеспечивая успешный доступ к анатомическим образованиям [3, 4].

Особым преимуществом трехмерной визуализации в эндоназальной хирургии является более детальная и объемная передача изображения ограниченного пространства операционного поля, что позволяет выполнять порционную резекцию структур носа в его различных отделах, тем самым повышая качество устранения дефектов, а также увеличивая уверенность в достижении положительного результата [5]. Кроме того, постоянное технологическое усовершенствование оборудования и способов передачи изображения позволяет с большей точностью спрогнозировать время операции и ее исходы [6]. Проблема оптимальной визуализации операционного поля и возможности обзора боковых анатомических структур остается нерешенной, так как достижение хирургом глубинного восприятия до сих пор происходит с помощью тактильных и визуальных сигналов, таких как взаимодействие инструментов или непрерывное движение эндоскопа. Традиционные эндоскопы, создающие двухмерное изображение, не способны обеспечить стереоскопическую визуализацию и достаточный охват операционного поля, синхронизировать работу рук хирурга и одномоментное зрительное восприятие манипуляций оператора [7]. Работа в маленьком, ограниченном пространстве при выполнении эндоскопических манипуляций, например в полости носа, доказывает недостатки традиционных методов скопии. Следует отметить, что пандемия COVID-19 внесла свои коррективы во все без исключения сферы медицинской деятельности, что подтолкнуло исследователей изыскивать новые подходы в хирургии с соблюдением условий защиты оператора и минимизацией используемого в процессе работы оборудования [8]. Анализ данных литературы показал, что применение методов виртуальной реальности, влияющих на когнитивную деятельность хирурга, до сих пор не изучено в полном объеме.

Цель исследования — апробация основанной на феномене стереопсиса трехмерной визуальной среды операционного поля в эндоскопической риносинусохирургии.

Для создания трехмерной визуальной среды хирургического поля использован феномен стереопсиса, достигаемый путем применения шлема виртуальной реальности VR Box 3D для мобильных телефонов, надетого на голову оперирующего хирурга. Для кумуляции изображения с хирургической раны к эндоскопической трубке подключалось разработанное нами модульное дистанционное устройство, которое представляет собой камеру видеозахвата с радиопередатчиком сигнала. Видеоизображение, кумулируемое с модульного устройства, транслируется на каждый глаз хирурга раздельно, что приводит к возникновению лежащего в основе феномена стереопсиса эффекта диспарантности, то есть различия взаимного положения точек, отображаемых на сетчатке левого и правого глаза оператора (рис. 1).

Рис. 1. Эндоскопия полости носа барана.

1 — шлем виртуальной реальности; 2 — анатомический препарат; 3 — эндоскопическая трубка.

Таким образом, при использовании нового метода визуализации сохраняется естественное для зрительного анализатора восприятие объемной картины мира, что позволяет адекватно оценивать пространственное расположение анатомических структур.

Научно-исследовательская работа проведена на четырех кадаверных головах барана, особей мужского и женского пола, средний возраст которых составил 12±2,8 мес. Весь материал для исследования взят на городской скотобойне Санкт-Петербурга. При этом мы не нарушали ФЗ от 27 декабря 2018 г. №498 «Об ответственном обращении с животными и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Этапы выполнения работы включали в себя МСКТ-сканирование материала для изучения анатомии, подготовку материала, выполнение функциональной эндоскопической операции в объеме эндоназальной максиллотомии и фронтотомии на кадаверном материале (головах барана) с использованием двух методов визуализации.

Подготовка кадаверного материала к работе осуществлялась путем обработки головы барана в 9% растворе уксусной кислоты в течение 24 ч. Процедура выполнена с целью обезжиривания и консервации материала. Следующий этап состоял из препарирования тканей, включающего отслойку кожно-фасциального лоскута от костей черепа, удаление хрящевой части наружного носа и обнажение апертуры грушевидного отверстия.

Для изучения функциональной анатомии каждой экспериментальной модели (голова барана) выполнена МСКТ на 64-срезовом компьютерном томографе с толщиной среза 0,5 мм. Обработку изображений, построение реконструкций, оценку количественных параметров и качества изображений выполняли на рабочей станции рентгенолога Vitrea. При этом оценивали анатомическое строение модели, объем и размеры придаточных полостей носа. Для визуального анализа использованы коронарные, сагиттальные, аксиальные изображения, мультипланарные реконструкции, проекции максимальной интенсивности (MIP) (рис. 2).

Рис. 2. Компьютерные томограммы головы барана в трех проекциях.

1 — фронтальный синус; 2 — клетки решетчатого лабиринта; 3 — верхнечелюстной синус; 4 — полость носа; 5 — перегородка носа; 6 — вентральная носовая раковина; 7 — средний носовой ход; 8 — нижний носовой ход; 9 — дорсальная часть вентральной носовой раковины; 10 — вентральная часть вентральной носовой раковины.

Функциональная эндоскопическая синусотомия в полостях носа барана выполнена при помощи двух различных методов визуализации. В одной половине полости носа хирурги выполняли этапы эндоскопической риносинусохирургии на экспериментальной модели при помощи стационарного эндоскопа, транслирующего двухмерное изображение на экран монитора. В другой половине полости носа хирургические манипуляции включали те же этапы вмешательства, но в условиях объемной визуальной среды хирургического поля, в шлеме виртуальной реальности, с сохранением естественной оси между рабочим инструментом оператора и его зрительным анализатором (см. рис. 1). После выполнения функциональной синусотомии восьми хирургам, принимавшим участие в эксперименте, предложено оценить эффективность проделанной работы при помощи международной системы анкетирования NASA Task Load Index [9]. Этот опросник позволяет определить общую субъективную рабочую нагрузку на оператора при выполнении поставленной задачи. В опроснике учтены такие параметры, как умственное истощение, физическая активность, темп выполнения работы, удовлетворенность результатом предложенной методики, усердие умственное и физическое для достижения поставленной задачи, а также неудовлетворенность предложенным методом.

Проведен морфологический анализ кадаверного материала, используемого при выполнении работы. Средний вес головы барана составлял 1064±192,3 г. Данные краниометрии головы барана во фронтальной проекции (высота) составили 7±1,4 см, сагиттальные размеры — 18±1,4 см, аксиальные размеры (ширина) — 9±0,7 см. Среднестатистический размер грушевидной апертуры составил 2,5±0,7 см по ширине и 3,5±0,7 см по высоте. После изучения компьютерных томограмм черепов получены данные о строении и размерах околоносовых пазух барана. Средний показатель длины максиллярных синусов в сагиттальной проекции равен 1,97±0,2 см. Средний показатель высоты верхнечелюстных пазух в коронарной проекции составил 0,65±0,001 см, усредненная ширина максиллярных синусов в коронарной проекции — 0,34±0,2 см. Среднестатистический объем верхнечелюстных пазух — 0,4±0,1 см³. При исследовании фронтальных пазух усредненный показатель длины в сагиттальной проекции составил 3,57±0,6 см, ширины в коронарной проекции — 1,82±0,6 см, высоты в коронарной проекции — 1,23±0,1 см. Средний объем лобных пазух — 7,99±0,014 см³.

Изучая эндоскопическую анатомию полости носа барана, установили наличие вентральной носовой раковины concha nasalis ventralis, которая имеет дорсальную часть (pars dorsalis conchae nasalis ventralis) и вентральную часть (pars ventralis conchae nasalis ventralis). Данный комплекс занимает переднюю часть носовой полости, далее находятся средняя (concha nasalis media) и дорсальная (concha nasalis dorsalis) носовые раковины. Система параназальных пазух представлена комплексом последовательно расположенных полостей максиллярной (sinus maxillaris), слезной (sinus lacrimalis), небной (sinus palatinus), лобной (sinus frontalis) пазух и хорошо развитым решетчатым лабиринтом. Доступ к верхнечелюстной пазухе возможен только после диссекции pars ventralis conchae nasalis ventralis. После удаления нижней части вентральной носовой раковины получен доступ к sinus lacrimalis, при разрушении стенки которого (горизонтальной пластинки) обнажен инфраорбитальный нерв, залегающий в инфраорбитальной щели (rima infraorbitalis), которая отделяет sinus palatinus от sinus maxillaris.

На этапе подготовки к фронтотомии проведен анализ снимков компьютерной томографии околоносовых пазух барана в аксиальной проекции, выявлено, что лобные пазухи барана представляют собой систему крупных полостей. При выполнении фронтотомии (согласно Draft I) после резекции дорсальной носовой раковины, медиализации средней носовой раковины и удаления части решетчатого лабиринта обнажена передняя ячейка лобной пазухи.

Отработана методика эндоскопической риносинусохирургии, включающая максиллотомию и фронтотомию с эндоназальным доступом, применением стандартной эндоскопической техники и в условиях трехмерной визуальной среды хирургического поля, в шлеме виртуальной реальности.

После успешного выполнения задания каждый участник прошел тестирование с использованием международной системы анкетирования NASA TLX, предназначенной для оценки субъективной нагрузки на хирурга во время выполнения экспериментального задания. Данные приведены в таблице.

Оценка субъективной рабочей нагрузки на хирурга в зависимости от разных способов видеоэндоскопии

Примечание. Данные представлены в виде среднего значения признака и среднего квадратичного отклонения (M±σ). * — p>0,05; ** — p>0,01.

У участников эксперимента числовой показатель «умственное истощение» при выполнении поставленных задач в условиях трехмерной визуализации хирургического поля превышал таковой при альтернативном способе видеоскопии. Данный феномен связан с поступлением в головной мозг исчерпывающего потока информации, который при двухмерной визуализации поступает в ограниченном объеме. Таким образом, бóльшая детализация и глубина хирургического поля связаны с более сложным ментальным анализом, что положительно сказалось на показателе «усердие». «Темп выполнения» работы с использованием очков виртуальной реальности замедлялся вследствие дополнительной траты времени на обучение новому методу и адаптации к условиям трехмерной визуальной среды. Учитывая эти критерии, можно отметить, что показатель «удовлетворенности» результатами проделанной работы в условиях трехмерной визуализации заметно снижался. Тем не менее в трехмерном пространстве все участники эксперимента успешно справились с поставленными задачами. Все перечисленные критерии сводились к оценке общей субъективной рабочей нагрузки на хирурга.

Статистический анализ полученных данных по оценке общей субъективной рабочей нагрузки на хирургов показал статистически значимые различия между используемыми методами видеоскопии в процессе хирургических манипуляций на анатомическом материале. Общая субъективная рабочая нагрузка на хирургов при использовании трехмерной методики визуализации была ниже по сравнению с методикой стандартной видеоэндоскопии, что свидетельствует о положительном влиянии эффекта стереопсиса при работе в шлеме виртуальной реальности. Энергетические затраты хирургов при выполнении поставленной задачи в условиях трехмерной визуальной среды уменьшались, по нашему мнению, за счет более «глубокого» восприятия хирургической раны, а также исполнения задания в «игровой форме».

Кроме того, хирургами отмечена способность более детальной оценки расстояния до удаленного объекта, что позволило им точнее использовать хирургический инструмент, менее травматично выполнять диссекцию тканей. Применение эффекта стереопсиса обеспечило передачу изображения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, позволяя реально оценивать расположение предмета в пространстве, а также совершать вращение вокруг него. Увеличенный поток информации об анатомических структурах полости носа позволял хирургу грамотнее ориентироваться в малом пространстве и повышал качество выполняемой работы. Ощущение деликатной пространственной ориентации при выполнении хирургических манипуляций в полостях с меньшим объемом доказало свою эффективность в экспериментальных работах [10].

Полученные результаты эксперимента дополняют и расширяют уже имеющиеся данные о применении 3D эндоскопической техники в риносинусохирургии. Таким образом, реализована апробация трехмерной визуальной среды операционного поля в эндоскопической риносинусохирургии, основанной на феномене стереопсиса, позволяющем воспринимать глубину раны. Тем самым расширяются возможности хирургического вмешательства и улучшается производительность оператора.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.