עיבוד תמונות בזמן אמת עבור מערכות ניווט כירורגיות

מהו עיבוד תמונה בזמן אמת בניתוח?

עיבוד תמונה בזמן אמת בניווט כירורגי מתייחס ללכידת מיידית, ניתוח ושיפור נתונים חזותיים במהלך הליך תזמון פעיל.בניגוד לזרימות עבודה הדמיה מסורתיות הדורשות דקות לייצר מסגרת אחת, מערכות בזמן אמת פועלות בשיעורים של 30-60 מסגרות זיהוי לשנייה (fps) עם שיפור משמעותי של תפקוד לקוי של עד קצה מתחת 100 מ"ת שניות.

הדמיה בזמן אמת מודרנית מסתמכת על שילוב של קלטי חיישן - מצלמות אופטיות, פלואורסקופיה, אולטרסאונד, וסורקי אור מובנים - ואלגוריתמי תוכנה שיכולים לרשום ולעכב את זרמי הנתונים האלה על מודל תלת-ממדי של המטופל.המטרה הסופית היא לספק את המנתח עם FLT:0דינמית, תצוגת חיים 1 LT:1 אשר מדגיש מבנים קריטיים כמו כלי דם, עצבים, גידול, שולי, חילופי, ומאפשרת החלטות מטבוליות.

טכנולוגיות חיוניות בניווט כירורגי

מערכות מעקב אופטיות

מעקב אופטי הוא הטכנולוגיה הנפוצה ביותר בפלטפורמות ניווט כירורגיות מסחריות.הוא מעסיק שתי מצלמות אינפרא אדום (IR) המאורגנות סביב שדה הניתוח כדי לזהות סמנים רפלקטיביים המחוברים לכלים ולאנטומיה של המטופל.המערכת מעדכנת את עמדות הסימון בחלל 3D עם דיוק תת-מילימטרי.

עקבו אחרי Electroמגנטיות Tracking

מעקב אלקטרוני (EM) משתמש משדר היברידי שיוצר שדה מגנטי נמוך ומצעים קטנים החיישן המוטבעים בכלים. כי שדות מגנטיים חודרים לרוב החומרים, מעקב EM אינו דורש קו ראייה, מה שהופך אותו אידיאלי עבור פרוצדורות אנדוסקופיות והכרחיות מבוססות על ידי אלגוריתמים אופטיים משלבים בין אלגוריתמים אופטיים ל-0EM.

צילום:רישום

רישום תמונות הוא תהליך של התאמת נתוני הדמיה טרום ניתוח (CT, MRI, PET) עם האנטומיה של המטופל תוך-טראקטיבי.ללא רישום מדויק, ניווט הוא חסר תועלת.

• (FLT:0) רישום נקודת-אוויר: FLT:1 המנתח נוגע ציוני דרך אנטומיים או סמנים fiducial עם בדיקה מעקב.המערכת מציבה מטריצה טרנספורמציה הממפה את התמונה הקדם-אקטיבית לתאם את החלל הפיזי. Accuracy תלויה במספר והפצת נקודות; בדרך כלל 4-10 נקודות משמשים, תוך מתן שגיאות של 0.5-1.5 מ"מ.
• (FLT:0Surface-based הרשמה: FLT:1) סורק לייזר או מצלמה אור מובנה ללכוד את משטח העצם הנחשף של המטופל ומתגבש אותו אל פני העור או משטח העצם מופקים מ- CT טרום-אקטיבי. שיטה זו היא פחות ופחות מדויקת עבור מבנים עמוקים, אך דורשת נתונים באיכות גבוהה וניתן להשפיע על ידי שינוי רך.

עיבוד בזמן אמת מעדכן את הרישום כמו המטופל נע או כמו עיוותים רקמות.לדוגמה, במהלך ניתוח כבד, צורתו של הכבד משתנה עם הנשימה; אלגוריתמי רישום עיוות מודל טרום פעיל כדי להתאים את אולטרסאונד חי או תמונות מצלמה סטריאו, שמירה על דיוק ניווט לאורך מחזור הנשימה.

מציאות מוגברת

מציאות מוגברת (AR) משפרת את השקפתו הטבעית של המנתח על ידי הקרנה של מידע דיגיטלי ישירות על שדה הניתוח.

• (ב) ,0) תצוגות מובנות על ידי ה-Head-Modered מציגות 1 (למשל, Microsoft HoloLens, Magic Leap) שציינו מודלים תלת-ממדיים על ראייתו הניתוק של המנתח.
• (ב) למערכות מבוססות פרויקטים (FLT) 1 (הופנה מהדף ⁇ ) אשר הטילו מידע על גוף המטופל או על צג.
• (FLT:0Microscope-integrated ARFreaLT:1) בשימוש ב-Norsurgery כדי לגזול גבולות גידול, סיבי סיבים, וספינות כלי שיט ישירות לתוך העין.

עיבוד בזמן אמת הוא חיוני עבור AR כי על העודף צריך להיות מעודכן בקצב הרענון של התצוגה (בדרך כלל 60-90 הרץ) ועליך להסתגל תנועות ראש, תנועה כלי, ונשימה סבלנית. מחקרים הראו כי נהלים AR מונחה להפחית את הצורך להסתכל הרחק משדה הניתוח, שיפור עין-עין-עין-עין-עין-עין וצמצום זמן פעיל עד 20% בניתוחי עמוד השדרה מסוימים.

שילוב רובוטי

רובוטים כירורגיים כגון דה וינצ'י שי והפלטפורמות החדשות יותר של ROSA משלבים עיבוד תמונות בזמן אמת כדי לספק שליטה סגורה-פרלופית.מצלמות שולמו על תמונות הזרם של הרובוט אשר מעובדות לזהות מיקום כלי, עיוות רקמות, ואפילו אינטראקציות כלי-לא-טריט-טפסה.המידע המעובד חוזר למערכת הבקרה של הרובוט כדי להבטיח שהמכשיר יישאר על המסלול המתוכנן, למשל, שגורם לחיתוך עומק שתוכנן, מונע שימוש ברקמות.

יישומים קליניים של עיבוד בזמן אמת

נוירוכירורגיה

נוירוכירורגי היה אחד המטיפים המוקדמים ביותר של עיבוד תמונות בזמן אמת עבור ניווט. במהלך ניתוח מחדש של גידול, MRI preoperative ממוזג עם אולטרסאונד intraactive או CT לפצות על שינוי המוח (העיוות של רקמת המוח לאחר הגולגולת נפתח) עיבוד בזמן אמת אלגוריתמים עיבוד דיווח על יתר של 1 פעמים כל כמה שניות, ומאפשר המנתח לראות איפה שולי הגידול היגרו עמוק במוח (DBS) מ-Fidgicroography.

ניתוח Orthopedic

בניתוח החלפתי משותף ועמוד השדרה, ניווט בזמן אמת משתמש בתמונות פלואוסקופיות או מצלמות אופטיות כדי לעקוב אחר מכשירים יחסית ציוני דרך העצם.עבור סך של hip arthroplasty, עיבוד בזמן אמת מחשב אורך הרגל והתאמות מפוספס על זבוב, צמצום שכיחות של פירוק קיר לאחר הניתוח המתוכנן על מיקום קבוע (NCT03547583) הראה כי לנווט החלפת הירכיים עם משוב אמיתי על גבי תמונה בפועל של מברגומת של 92% במיקום בטוח בקירבה.

אוטולטרינגולוגיה (ENT)

ניתוח סינוס אנדוסקופי ותהליכי בסיס גולגולת נהנים מאוד מעיבוד תמונות בזמן אמת, כי האנטומיה צרת ומוקפת על ידי מבנים קריטיים כגון עצב הראייה ואת עורקים הקרוטואיד. אלקטרומגנטיים בשילוב עם רישום CT בזמן אמת מאפשר המנתח לראות נקודת קצה וירטואלית על קצה אנדוסקופ על גבי הסטמנטציה של זמן אמתית של הסינוסים מן conabe CT, אשר נרכשת במהלך תהליך הדגימה או הרקמות החליקציה.

ניתוח Cardiothoracic ו-Vircular Surgery

בניתוח לב פולשני מינימלי, היתוך בזמן אמת של CTA עם transesophageal הדרcardiography (TEE) מספק מפת כביש 3D של תאי הלב וכלי גדול.זה קריטי עבור transcatheter aortic שסתום החלפת (TAVR) שבו יש להתאים בדיוק עם הילידים של fluorcopy הם מעקב אחר אותו מכשיר קבוע, אשר מאפשר תיקון זמן תיקון אמיתי עם מסגרת זמן אמתית (תיקון) אשר מאפשר תיקון זהההה מחדש של התקינה מחדש של התקינה את ה-זמנית של ה-זמנית, כאשר ה-זמנית, אשר מאפשר את ה-זמנית של ה-זמנית, כאשר ה-זמנית של ה-Fenters, כאשר ה-Framic החלפת ה-rephic Rephirtopharyd זההתקן הנכון, כאשר הוא מתאים את ה-repharyd זההתקן הנכון עם ה-repharyd בדיוק עם ה-repharyd זה מתאים את ה-rephation עם ה-repharyd זה מאפשר לתקן את ה-repharyd זה נכון את ה-repharyrtopharyd זה הוא הנכון עם ה-rephation עם ה-rephation האחרונה עם ה-rephation עם ה-reph

יתרונות של עיבוד בזמן אמת בניווט כירורגי

שיפור ההעדפות והפחתה

עיבוד תמונה בזמן אמת נותן למנתח משוב מתמשך על המיקום המכשיר שלהם ביחס למטרה הרצויה.זה מפחית את הסיכוי של חיתוך עצבים, טיהור כלי שיט, או ניתוק רקמות בריאה. בניתוח ספיןאלי, קצב הדבקה pedicle מברגו ירד מ 15-20% במקרים ללא תשלום מתחת ל 5% עם ניווט בזמן אמתי:0inirous פירושו תיקון חד פעמי, אם הוא פתור את השגיאה 1 -2, אם הוא פתור את השגיאה לאחר מכן, או פתור אחר כך הוא פתור את השגיאה לאחר מכן, אם הוא פתור במקרה חופשי של 1 -2, אם הוא LT2, אם הוא פתור במקרה של 2.

קיצור של EATIVE TIME

על ידי ביטול הצורך לעצור ניתוח עבור fluoroscopy או אולטרסאונד רכישות, עיבוד בזמן אמת מפחית את אורך ההליך הכולל. a meta-analysis של 12 מחקרים על החלפת הברך לנווט מצא כי זמן כירורגי היה קצר על ידי ממוצע של 15 דקות, אשר מתואם עם שיעורי זיהום נמוך יותר וחשיפה קצרה יותר. עבור הליכים מורכבים כגון pelvic requestrereperre, היכולת לראות את הגידול - בתוך ממשק אמיתי יכול לחתוך בשלב 40 דקות.

בטיחות מוגברת והפחתה של סיבוכים

משוב בזמן אמת מאפשר המנתח לזהות ולהימנע מבנים קריטיים גם כאשר הם לא גלויים ישירות.לדוגמה, ניתוח הסינוסים פונקציונלי (FESS), ניווט בזמן אמת מפחית את שכיחות הדליפה נוזלי המוח על ידי 60% על ידי האזהרה המנתח כאשר המכשיר מתקרב לבסיס הגולגולת. in orthopedics, עיכוב בזמן אמת בזמן אמת תוך החלפת הברך מבטיח עומסים מאוזניים, צמצום הסיכון של ניתוחי חירום והורדת חוסר יציבות.

אימון טוב יותר וחינוך

מאמנים כירורגיים יכולים להשתמש בניווט בזמן אמת כדי להשוות את התנועות שלהם עם מסלול "אידאלי" של מומחה שנוצר על ידי המערכת. התמונות מעובדות יכול להקליט מדדים כגון סטייה מן הדרך המתוכנן, חלקות של תנועה, וזמן בילה "אזורי טרור" נתונים אובייקטיביים אלה להאיץ את עקומת הלמידה ולספק משוב פעולה כי אינו אפשרי עם התבוננות המסורתית בלבד.

אתגרים ומגבלות

דרישות שקיפות ודרישות

צנרת העיבוד לניווט בזמן אמת - תמונה, לכידת, רישום, פלח ועידוד - חישובים עצומים באמצעות חישוב. רזולוציה גבוהה MRI או כרכי CT (2563FLT:03FLT:1 ל 51203FLT:23FLT:2FLT 3FLT 3FLT 3 {\displaystyle Voxels) יש צורך לנפץ ולעבור יותר מ-30 , הדורשים מורכבות יעילה של קונסולת חשמל ו-GPU כזה לעתים קרובות.

רישום Drift ו-Tissue Deformation

גם עם עדכונים בזמן אמת, רישום יכול לסחף עקב שינויים בעמדת המטופל, תנועת הנשימה, או מניפולציה של המנתח של רקמות רכות. איברים חתומות כגון הכבד, המוח והכליה הם בעייתיים במיוחד משום שהם מתפרסים לאורך כל ההליך. אלגוריתמי רישום מעודכנים נוכחיים הם כבדים חישוביים ואינם יכולים לתכנסים מספיק מהר לשימוש בזמן אמתי.

אינטגרציה ושילוב מערכת

כל מכשיר חייב להיות מקביל בדיוק למערכת המעקב, תהליך שמוסיפה שלבים לזרימת העבודה הניתוחית.מערך Tracker חייב להיות סטרילי או מכוסה עם drapes סטרילי ללא דיוק מחית. ⁇ לא נכונה - לדוגמה, מחט קביעות מקוטב או מסמן רופף - יכול להוביל לשגיאות שיטתיות של כמה מ"מ.אינטגרציה עם ציוד הדמיה קיים (CT, אולטרסאונד, פרוטוקולים עדיין לא יכולים לפתח מערכת חומרה או סטנדרטית או סטנדרטית של מערכות חומרה אחרת.

עלויות וגישה

מערכות ניווט בזמן אמת נשארות יקרות לרכוש ולתחזק.בתי חולים קטנים ומרכזים כירורגיים במדינות בעלות הכנסה נמוכה ובינונית לא יכולות להרשות לעצמם את ההשקעה מעלה. אפילו במסגרות קוד גבוה, העלות של מזוודה של עצירות ניווט סטרילי (סימנים, חיישנים, הדרפס) יכולה להוסיף כמה מאות דולרים להליך.

כיוונים עתידיים ומחקרים עתידיים

אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות

AI מבטיח לטפל רבים של המגבלות הנוכחיות.מודלים למידה עמוקה יכולים לבצע פלח של איברים, גידולים וכלי שיט מהנתונים הדמיה גולמיים ב- מילימטריים, הרבה יותר מהר מאלגוריתמים מסורתיים.מודלים אלה יכולים גם לחזות עיוות של רקמות בהתבסס על תנאי גבול, המאפשרים שלב אמיתי של זמן אמת פענוח הרישום ללא אופטימיזציה של גירוי.לדוגמה, רשת עצבית מהפכת (CNN) על אולטרסאונד ותגובה יכול לייעל את ה-MRICC יכול להתאים באופן אוטומטי ל-MRIDRADRADRADOS תחת סימולציה של תאים, באופן אוטומטי, כולל סימולציה של תאים של תאים של תאים של תאים של תאים.

ענן ו- Edge מחשוב

כדי להסיר עיבוד כבד מן הקונסולה המקומית, ניווט מבוסס ענן מפותח.לקוח דק ב OR שולח נתונים הדמיה מוצפנת לשרת ענן ביצועים גבוה המפעיל את צינורות העיבוד ומזרימים את התוצאות בחזרה.עם רשתות 5G המציעות רוחב של 10 מ"מ בין או לענן באופן פעיל, אדריכלות זו יכולה להפוך חומרה יקרה עבור מחשוב, שבו עיבוד נעשה על גבי מכשיר מקומי, מספק רוחב ביניים עבור פתרונות מד"ר כגון: 0Ftronicerter.

תצוגות ללא מגע

ממשק המנתח מתפתח מתצוגה מבוססת צג למשקפיים AR שניתן ללבוש ואפילו תצוגות ולוגרפיות ללא מגע.מערכות אלה דורשות ביצוע בזמן אמת, אשר מסונכרן עם תנועת הראש של המנתח, אשר ניתן לעקוב באמצעות מצלמות בתוך-out.New micro-LED ו- לייזר להיות סריקה טכנולוגיות יכול לייצר תמונות בעוצמה גבוהה, נמוך אפילו תאורה בהירה.

ניווט אוטונומי

במבט קדימה, עיבוד תמונות בזמן אמת יכול לאפשר לרובוטים כירורגיים למחצה, אשר מבצעים מסלול מתוכנן עם פיקוח אנושי.הרובוט יעבד באופן רציף תמונות מצלמה כדי לזהות מכשולים, להתאים את המהירות שלו, ואפילו לתכנן מחדש את הנתיב בזמן אמת אם האנטומיה נעה.טיפוס מוקדם של רובוטים מטבוליטים אוטונומיים (למשל, עבור מיקום craniomy או השתלת שיניים) הראו כי באמת יכול להיות מסוגל להשיג דיוק מהיר, אבל בטוח ידני.

מסקנה

עיבוד תמונה בזמן אמת הוא בלב הניווט הניתוחי המודרני, המאפשר דיוק חסר תקדים, בטיחות ויעילות בהליכים החל נוירוכירורגיה ועד אורתופדים. בעוד אתגרים כגון עלות חישובית, סחף רישום ומורכבות האינטגרציה נמשכים, התקדמות מהירה ב-AI, ענן, ו- AR הם מוכנים להתגבר עליהם.כפי שטכנולוגיות אלה בוגרות והופכים להיות סבירים יותר, בזמן אמתי ניתוח, יהפוך את התוצאות הטובות ביותר של תרופות טיפוליות, וקידום, אשר יתמקדו, ולהוביל כיום, כדי לשפר את התוצאות של תרופות אלה, ולהוביל, ולהוביל אותם.