Новые симуляционные технологии в нейрохирургии

Симуляционное обучение в медицине - относительно новое направление, получившее активное развитие в последние несколько лет [1, 2]. Значимость симуляционных технологий для нейрохирургии как области научных знаний и практической специальности не вызывает сомнений [3]. Тем не менее следует обозначить те актуальные проблемы нейрохирургии, где внедрение симуляционных технологий представляется особенно полезным и имеет значительный потенциал для дальнейшего развития.

Согласно приказу Минздравсоцразвития России № 1475н от 05.12.11, на обучающий симуляционный курс отводится 136 ч в ординатуре. По данным Российского общества симуляционного обучения в медицине (РОСОМЕД) 2014 г., в России существует около 50 симуляционных центров, а до 2017 г. планируется создать не менее 80. По ключевым словам «симуляция», «нейрохирургия» в базах данных Pubmed и Elibrary находятся более 1500 статей, количество публикаций за год по данной теме увеличивается.

Цель данного обзора - исследование современного состояния симуляционных технологий в нейрохирургии.

Термины и классификации

Симуляция в данном контексте - это имитация, моделирование, реалистичное воспроизведение процесса.

Предлагаемая классификация симуляционных моделей нейрохирургических операций (тренажеры навыков):

1. Физические (материальные) [1].

1.1. Тканевые:

а) живые (лабораторные животные);

б) тканевые (кадаверная диссекция, куриное крыло, плацента).

1.2. Искусственные (синтетические протезы, фантомы, муляжи).

2. Виртуальные (виртуальные тренажеры).

2.1. Модели дополненной реальности.

2.2. Полностью виртуальные модели.

Симуляции, основанные на физических моделях, имеют ограниченное значение в воссоздании всего медицинского вмешательства, но могут быть полезны для симуляции отдельных его этапов [4]. Различают симуляцию части вмешательства (англ. part-task simulation) и симуляцию всей операции полностью (англ. procedural simulation).

Симуляционные модели на биологическом материале включают использование широкого спектра материала. Например, для практики микронейрохирургических навыков давно используют лабораторных крыс и мышей [5]. Практику лапароскопических и торакоскопических, эндовазальных и краниальных вмешательств in vivo осуществляют на свиньях [6]. Кадаверная диссекция является одной из форм симуляции и активно используется в нейрохирургическом образовании со времен Ренессанса [7].

Компьютерные тренажеры основаны на создании трехмерной или двухмерной виртуальной модели, имитирующей морфологию, заболевание, физиологическое состояние, диагностическую манипуляцию или оперативное вмешательство. Одно из понятий виртуальной симуляции - гаптика. Гаптика (от греч. hapto - касаюсь, хватаю) - это возможность получения тактильной обратной связи в симуляторе. Дополненная реальность создается реальными физическими объектами, отображаемыми на экране или в окулярах, когда на них проецируется изображение, смоделированное компьютером [8, 9].

Важным является разработка полезных и практичных симуляционных моделей, для которых необходимо доказать валидность [10]. Валидный [от фр. valide - важный, действующий] - действительный, действенный, соответствующий требованиям [11]. Валидность - эффективность использования симулятора или симуляционной методики, подтвержденная согласно принципам доказательной медицины [12].

Глобальный подход к симуляционному обучению в нейрохирургии

На основании предварительного опыта курсов для пилотов [13], Общество неврологических хирургов США разработало официальный ежегодный курс обучения - «курс молодого бойца» для резидентов первого года [14]. На курсе изучается техника выполнения различных вмешательств:

1) пункция вентрикулоперитонеальной шунтирующей системы и программирование клапана;

2) установка люмбального дренажа;

3) установка датчика внутричерепного давления;

4) наружное вентрикулярное дренирование;

5) катетеризация центральных вен и артерий;

6) отработка действий в критических ситуациях (6 симуляций, основанных на моделях);

7) использование хирургического микроскопа и инструментов;

8) виды укладок пациента на операционном столе;

9) этапы краниотомии при черепно-мозговой травме для удаления субдуральной гематомы: использование дрели, создание костного лоскута, вскрытие и ушивание ТМО, фиксация костного лоскута и ушивание кожи.

Полезным может стать проведение подобных курсов в масштабах федеральных округов под эгидой ассоциации нейрохирургов в крупных симуляционных центрах.

Далее в обзоре описаны основные симуляционные модели в различных направлениях нейрохирургии.

Дебрифинг и симуляция нейрохирургических пациентов

В нейрохирургии, так же как и в других сферах деятельности с высокими рисками, успех вмешательства зачастую связан с нетехническими аспектами - такими как оптимальная командная работа, лидерство, ситуационная осведомленность, принятие решения и межличностные коммуникации [15]. Показано, что множество нежелательных событий обусловлены человеческим фактором, и многие ошибки могут быть предотвращены с помощью эффективной командной работы [16]. Так, S. Harnof и соавт. [16] представили результаты симуляционного обучения коммуникационным навыкам нейрохирургов посредством сценариев с участием актеров. Сценарии включают получение информированного добровольного согласия на вмешательство, беседу при выписке пациента, информирование об интраоперационном осложнении, информирование родителей об опухоли головного мозга у ребенка, о смерти мозга. Проработка подобных сценариев на национальном уровне, вероятно, станет обязательной частью программы нейрохирургической резидентуры в Израиле.

Лаборатория трупной диссекции в нейрохирургии

По данным опроса V. Kshettry [17], 95,4% руководителей нейрохирургических программ в США уверены, что лабораторная диссекция должна быть обязательной составляющей образовательной программы по нейрохирургии; при этом ни один респондент не посчитал виртуальную симуляцию способной принести большую пользу, чем лабораторная диссекция. В настоящее время в России актуальной проблемой остаются юридические и технические возможности обеспечения кадаверами секционных залов медицинских университетов. Имеется дефицит качественно приготовленных инъецированных препаратов, которые возможно использовать для обучения и разработки различных краниальных доступов, в научных целях [18]. С другой стороны, заменой им в какой-то мере должны послужить физические и виртуальные 3D-модели.

Симуляция краниотомии

Распространенной моделью для тренировки навыков работы высокоскоростной дрелью является лопатка коровы. Этот материал наиболее доступный, дешевый и безопасный. Для тренировки различных нейрохирургических навыков фиксации костного лоскута, краниопластики и нейронавигации используются различные модели черепа (Sawbones, Kezlex и др.) [19]. Для практики ушивания краниотомной раны используется модель черепа с искусственной кожей, по строению схожей с мягкими тканями черепа. Например, «курс молодого бойца» для ординаторов включает симуляцию клинического случая: поступает сообщение о внезапном ухудшении состояния «пациента» в реанимации из-за нарастающей травматической внутричерепной гематомы и в условиях учебной операционной на манекене выполняется декомпрессивная краниотомия.

Нейроэндоскопия

R. Sierra и соавт. [20] одними из первых представили симуляционный фантом желудочковой системы с возможностью виртуального пациент-специфичного предоперационного тренинга и «интраоперационной» навигации для изучения вентрикулоскопических операций.

Разработка симуляционных моделей эндоскопической трансназальной хирургии также весьма актуальна. В настоящее время известны виртуальные компьютерные модели (NeuroTouch), физические модели на основе полимерного бальзамирования [18] и фантомы для отработки трансназальных транссфеноидальных и вентрикулярных эндонейрохирургических навыков. Например, тренажер S.I.M.O.N.T. позволяет изучать хирургическую анатомию желудочковой системы, тренировать навыки эндоскопической риносинусохирургии и транссфеноидального доступа [21]. В Стенфордском университете разрабатываются виртуальные симуляторы пациент-специфичной эндоскопической анатомии параназальных синусов, а также хирургии височной кости [22].

Наложение микроанастомозов

Для тренировки навыков наложения микроанастомозов под настольным [23] или нейрохирургическим микроскопом предложено множество моделей: марля [24], силиконовые трубочки [25], сосуды крысы [5], сосуды плаценты [26], охлажденное крыло курицы или индейки [27]. Более сложными являются модели для практики наложения анастомозов в глубоком операционном поле [28, 29].

Арахноидальная диссекция и клипирование аневризм

Первоначальные навыки микронейрохирургии должны быть получены в условиях лабораторного тренинга [30, 31]. Так, T. Hicdonmez и соавт. [32] описали модель микронейрохирургического тренинга на свежем головном мозге коровы для обучения манипуляциям микроинструментами и микродиссекции. Для развития навыков арахноидальной диссекции эффективна тренировка работы микроинструментами в разных направлениях на латексной перчатке под микроскопом, а также практика на других искусственных тканевых моделях [29] и лабораторных животных [6]. Для отработки навыков микродиссекции и клипирования аневризмы авторами разработана модель артериальной аневризмы на плаценте человека [33].

Ушивание ТМО

Модель включает тонкий лист искусственной ТМО, натянутой на мягкий силиконовый муляж головного мозга, находящийся в модели черепа, на которой отрабатывают наложение швов-держалок и ушивание ТМО в условиях механического ограничения костного окна [34]. Весьма полезна отработка навыков ушивания спинальной ТМО [35].

Пункция шунтирующего устройства

Симуляция заключается в пункции резервуара клапана с подключенной инфузией физиологического раствора. Затем проводится пункция тех же клапанов, но покрытых искусственной кожей, что позволяет пальпировать и пунктировать резервуар, получая тактильную обратную связь, схожую с реальной.

Эндоваскулярная нейрохирургия

Для симуляции эндоваскулярных вмешательств применяют физические манекены и силиконовые модели [36] крупных лабораторных животных (свиньи) с хирургически сформированной аневризмой или артериовенозной мальформацией [37]. В последнее время популярность приобретают компьютерные виртуальные модели для симуляции эндоваскулярных вмешательств. Эндоваскулярные симуляторы включают модули для тренировки навыков широкого спектра интервенций на коронарных, периферических сосудах и аорте [38]. Церебральные модули имеются лишь в некоторых тренажерах. Важное преимущество таких тренажеров заключается в возможности имитировать артериотомии или основные их этапы, в наличии тактильной обратной связи, возможности изменять неврологические и физиологические гемодинамические показатели, измерять и оценивать навыки. Стоимость такого оборудования составляет порядка 2-11 млн руб. в зависимости от фирмы и программных модулей. Ежегодное обслуживание может стоить до 300 тыс. руб., дополнительные расходы включают страховку и обучение персонала. В нейрохирургической практике эндоваскулярные симуляторы позволяют тренировать навыки койлинга аневризм, установки стентов в церебральных и сонных артериях, баллонной ангиопластики, селективного введения лекарственных препаратов, а также тромбэктомии [39].

Люмбальная пункция

Для обучения люмбальной пункции разработаны физические манекены и виртуальные тренажеры с тактильной обратной связью [40].

Спинальная нейрохирургия

Для практики вмешательств на позвоночнике разработаны различные физические и виртуальные модели. T. Haliс и соавт. [41] представили разработку симуляционного тренажера удаления грыжи диска на шейном уровне на основе дополненной реальности. Планирование вмешательства и тренировака мануальных навыков реализуются на физических трехмерных моделях из материала, схожего по структуре с костной тканью (Sawbones, США). Такие манекены валидизированы для практики фораминотомии и ламинотомии на шейном уровне [42], обучения оптимальной траектории установки транспедикулярных винтов [43]. Тренировка транспедикулярной фиксации и вертебропластики также доступна на виртуальных тренажерах Sensimmer [44]. Разрабатываются манекены для симуляции поясничной дискэктомии с возможностью резекции костной ткани, оценки натяжения нервных корешков, компрессии дурального мешка и кровотечения [45]. Новый симулятор 3S (Surgical Spine Simulator) для предоперационного планирования коррекции сколиотической деформации позволяет оценивать планируемый результат и напряжение в винтах фиксирующей системы [46]. Коробочный тренажер с фиксированным позвоночником кадавера или лабораторного животного позволяет тренировать навыки минимально инвазивных вмешательств [47].

Компьютерные симуляционные тренажеры

Neuro Touch является одним из первых виртуальных тренажеров. В настоящее время он позволяет практиковать базовые мануальные навыки работы наконечником аспиратора, ультразвуковым деструктором-аспиратором и биполярным пинцетом, а также оценивать фундаментальные принципы гемостаза, эндоназальной навигации, вентрикулостомии. Кроме того, доступны модули для симуляции операций резекции менингиомы и глиомы. При контакте с ригидными или эластичными структурами их сопротивление имитируется системой тактильной обратной связи, как и в других виртуальных тренажерах.

Другой компьютерный виртуальный 3D-симулятор с обратной связью Immersivetouch Sensimmer («Immersivetouch», США) позволяет тренировать навыки краниотомии, установки вентрикулярного катетера, ризотомии. В тренажере доступны модули люмбальной пункции, установки транспедикулярных винтов, вертебропластики и ряда других симуляционных операций [44].

Dextroscope («Bracco AMT Inc.», США) представляет собой рабочую станцию, способную к трехмерной реконструкции цифровых медицинских изображений и симуляции различных нейрохирургических вмешательств, в том числе удаления опухолей, клипирования аневризм [48] и диссекции виртуальной височной кости [8]. Изображение экрана отражается в зеркале и посредством затворных очков, синхронизированных с экраном, воспринимается как объемное. К сожалению, недостатком этой системы являетcя отсутствие тактильной обратной связи. Фирма «Bracco» разрабатывает устройства и программное обеспечение виртуальной реальности, пациент-специфичных волюметрических изображений для редактирования и презентации с помощью Dextrobeam [49]. Продолжением разработок является создание Dex-ray - системы дополненной реальности для хирургических вмешательств. Устройство состоит из отслеживаемого в пространстве зонда, в который интегрирована миниатюрная видеокамера. Камера получает изображение операционного поля с кончика зонда. Видеоизображение с камеры дополняется мультимодальной трехмерной графикой и ориентирами, полученными в ходе предоперационного планирования на рабочей станции Dextroscope, и обеспечивает «сквозное» видение [9, 50].

Недавно разработанный тренажер Su Rgical Planner («Surgical Theater», США) позволяет строить виртуальные трехмерные реконструкции для симуляции клипирования церебральных аневризм. Особенностью данного тренажера является возможность проведения дистанционного обучения и совместной удаленной работы на одном тренажере [51].

Создание пациент-специфичных моделей

Разработка пациент-специфичных трехмерных реконструкций для обучения и предоперационных тренировок является будущим виртуальных хирургических симуляторов [52], однако их внедрение потребует значительного времени. В настоящее время уже реализуются проекты по интеграции данных пациентов, например симуляция клипирования аневризмы на тренажерах Destroscope, Surgical Rehearsal Platform и резекция опухоли на тренажере NeuroTouch.

Современное программное обеспечение позволяет производить автоматическое и точное объемное воссоздание нормальной и патологической анатомии пациентов, используя данные аппаратных исследований (КТ, МРТ, ЦСА) [53]. Создаваемые цифровые трехмерные изображения возможно редактировать и использовать для планирования и репетиций различных операций [54]. Технологии быстрого прототипирования (3D-принтеров) обеспечивают печать объемных анатомических моделей для планирования доступа и физической симуляции предстоящего вмешательства с учетом анатомии костей черепа, сосудов, оболочек и ткани головного мозга [55]. Другим полезным и перспективным методом является создание трехмерных фото- и видеоатласов микронейрохирургических доступов [56].

Полисенсорная обратная связь в компьютерных тренажерах

Все виртуальные нейрохирургические тренажеры состоят из трех основных компонентов: манипулятора с обратной тактильной связью (так называемого «сенсорного скульптора», «гаптик-стилуса»); системы для отображения трехмерного изображения; мощного компьютера со специфическим программным обеспечением. Точность позиционирования манипуляторов, например Geomagic Touch, достигает 0,023 мм, а максимальная нагрузка - 7,9 Н.

В перспективе планируется создание более дешевых и совершенных виртуальных тренажеров и роботов по гаптик-технологии. Например, в Токийском технологическом институте с использованием вышеупомянутого гаптик-стилуса ведется исследование хирургического робота IBIS [57], который может составить конкуренцию роботу da Vinci по качеству - наличию тактильной обратной связи, а также по цене.

Направления для дальнейших исследований и развития симуляционных технологий в нейрохирургии

Симуляционные технологии обладают значительными перспективами развития в области нейрохирургии благодаря тому, что предоставляют возможность для лучшего понимания пространственных взаимоотношений на трехмерных изображениях, что важно не только для обучения, но и для планирования деталей вмешательства. Технологии дополненной реальности обеспечивают «просвечивающее» зрение, расширяя потенциал интраоперационной навигации [58].

Высокая сложность и разнообразие видов нейрохирургических вмешательств создают трудности при разработке симуляционных моделей, но за последние несколько лет в этом направлении достигнут значительный прогресс. В разных уголках мира нейрохирургами в сотрудничестве с инженерами разработаны различные симуляционные модели, которые служат развитию мастерства начинающих и практикующих нейрохирургов - от основных навыков вентрикулопункции, краниотомии и до более сложных навыков диссекции опухолей, хирургии основания черепа, эндонейрохирургии, сосудистой микронейрохирургии. Студенты и ординаторы имеют возможность приобретать новые навыки на простейших моделях. Более адекватные физические и виртуальные модели способствуют профессиональному развитию, освоению и совершенствованию оперативной техники даже опытными нейрохирургами [59].

Сравнивая пути развития симуляционного направления в других областях медицины, можно предположить, что перспективой является централизация и стандартизация образовательных программ в нейрохирургии. Полезными видятся включение микронейрохирургического тренинга и кадаверного курса нейрохирургических доступов в программы обучения и усовершенствования по специальности «Нейрохирургия», а также расширение использования трехмерной (микроскопической и эндоскопической) визуализации в практике и образовательном процессе. В методологическом аспекте актуальной является разработка стандартов компетентностного подхода к оценке экспертности и валидных квалиметрических тестов.

Учитывая дороговизну виртуальных компьютерных моделей, особо важной следует признать разработку дешевых физических моделей для отработки специфических нейрохирургических навыков микродиссекции, анастомозирования, внутрижелудочковой и транссфеноидальной эндоскопической хирургии. Перспективными являются научно-технические разработки импортозамещающих технологий производства пациент-специфичных физических моделей и виртуальных тренажеров, совершенствование систем обратной тактильной связи и повышение качества фотографического отображения виртуальных моделей. С позиций доказательственности необходимы исследования по оценке валидности и практической пользы симуляционных тренажеров и физических моделей.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации СП-156.2013.4.

Конфликт интересов отсутствует.