Как использовать Pacs для хирургической навигации и планирования в режиме реального времени

Введение в PACS в современной хирургии

Системы архивирования изображений и связи (PACS) стали незаменимым инструментом в хирургических отделениях по всему миру. Оцифровывая медицинскую визуализацию и обеспечивая мгновенный, безопасный доступ на предприятии, PACS позволяет хирургам планировать и перемещаться по процедурам с беспрецедентной точностью. Переход от кинорадиологии к цифровым платформам не только упростил рабочие процессы, но и открыл дверь для руководства изображениями в реальном времени во время операции. Сегодня PACS является основным компонентом экосистемы хирургической информатики, интегрируясь с электронными медицинскими записями (EHR), программным обеспечением 3D-визуализации и интраоперационными навигационными системами. В этой статье исследуется, как хирурги могут использовать PACS для навигации и планирования в реальном времени, от предоперационной сегментации до интраоперационного руководства и послеоперационной оценки.

Согласно Радиологическому обществу Северной Америки, PACS сокращает время доступа к исследованиям изображений более чем на 80% по сравнению с методами на основе пленки, непосредственно влияя на скорость и точность принятия хирургических решений. Возможность наложения предоперационных сканов на живые видеоканалы или стереотаксические кадры изменила процедуры в нейрохирургии, ортопедии и онкологии. В этом расширенном руководстве мы подробно расскажем о практических шагах по использованию PACS в хирургической навигации, основных технологиях, преимуществах, проблемах и новых тенденциях, которые будут определять будущее хирургии с изображением.

Понимание PACS: технологии и рабочий процесс

PACS — это сочетание аппаратного и программного обеспечения, которое управляет медицинскими изображениями в формате Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). Он состоит из четырёх основных компонентов: устройств получения изображений (CT, MRI, ультразвук, рентгеновский снимок), центрального архива для хранения, сетевой инфраструктуры для передачи и рабочих станций отображения для просмотра и манипулирования. В хирургическом контексте PACS поддерживает не только статическое наблюдение, но и многоплановую реконструкцию, рендеринг громкости и 3D-моделирование, которые имеют решающее значение для навигации.

Рабочий процесс, типичный для хирургической среды PACS, заключается в следующем: визуализация выполняется дооперационно и передается на сервер PACS через DICOM. Хирурги получают доступ к исследованиям через веб-зритель или выделенную рабочую станцию. Для навигации данные PACS экспортируются (часто как серии DICOM) в навигационную систему, где они регистрируются в анатомии пациента в операционной. Некоторые передовые PACS предлагают встроенные навигационные модули или API, которые позволяют прямую интеграцию с хирургическими роботами и системами отслеживания.

Ключевые технические стандарты, которые позволяют эту интеграцию, включают DICOM (формат изображения) и DICOM Worklist (планирование). Кроме того, HL7 FHIR все чаще используется для связи PACS с EHR для беспрепятственного обмена данными. Понимание этих стандартов имеет важное значение для хирургических команд, реализующих навигацию в режиме реального времени, поскольку проблемы совместимости остаются основным барьером.

Хирургическая навигация в реальном времени с PACS

Хирургическая навигация в режиме реального времени основана на непрерывной доступности обновленных данных визуализации, которые согласуются с текущей анатомией пациента. PACS обеспечивает основу путем хранения и доставки изображений с высоким разрешением, которые могут быть переформатированы на лету. Во время операции навигационная система соотносит предоперационные изображения PACS с фактическим положением хирургических инструментов с использованием оптического или электромагнитного отслеживания. Этот процесс известен как регистрация изображения пациенту .

Виды навигационных систем

Существует два основных подхода к хирургии с изображением: на основе кадра и безрамочные . Системы на основе кадра, распространенные в стереотаксической нейрохирургии, используют жесткую головную раму, которая создает фиксированную систему координат, ссылающуюся на предоперационные сканы PACS. Бесрамные системы используют поверхностные маркеры или анатомические ориентиры, зарегистрированные на изображения PACS. В обоих случаях PACS служит авторитетным источником изображения, а точность навигации напрямую связана с качеством и своевременностью данных PACS.

Интеграция с дополненной реальностью и робототехникой

Помимо базовой навигации, данные PACS могут быть сплавлены с живыми видеоканалами для создания наложений дополненной реальности (AR). Например, хирург, выполняющий спинномозговой синтез, может видеть 3D-реконструкцию позвонков из PACS, проецируемых на спину пациента через гарнитуру или монитор. Роботизированные хирургические системы, такие как используемые в ортопедии (например, MAKO, ROSA), полагаются на 3D-модели, полученные из PACS, для планирования размещения имплантатов и руководства роботом внутриоперационно. Национальные институты здравоохранения (NIH) опубликовали несколько исследований, демонстрирующих, что интегрированная PACS роботизированная навигация уменьшает размещение отверстий в хирургии позвоночника от 20% до менее 5% (см. NIH исследование по роботизированной навигации позвоночника ].

Предоперационное планирование: подробные шаги с использованием PACS

Эффективная навигация начинается задолго до того, как пациент входит в операционную. Предоперационное планирование с использованием PACS включает в себя несколько критических шагов, которые используют расширенные возможности визуализации.

Шаг 1: Доступ и выбор соответствующей серии изображений

Хирург рассматривает имеющиеся исследования PACS, как правило, включая КТ с контрастом, МРТ с несколькими последовательностями, а иногда и ПЭТ/КТ слияние. Используя наблюдатель PACS, хирург выбирает серию, которая лучше всего демонстрирует патологию и окружающую анатомию. Для навигации предпочтительны тонкие срезы КТ (≤1 мм), поскольку они обеспечивают достаточное разрешение для точной сегментации и регистрации.

Шаг 2: Сегментация изображений и 3D-реконструкция

Сегментация изолирует специфические структуры, такие как опухоль, кровеносные сосуды или костные ориентиры, от окружающей ткани. Многие современные зрители PACS включают полуавтоматизированные инструменты сегментации, основанные на пороговом, региональном росте или машинном обучении. Сегментированные данные могут быть экспортированы в виде поверхностных моделей (файлы STL) или объемных изображений. Например, в хирургии печени хирург сегментирует печеночную сосудистую систему и опухоль, чтобы спланировать резекцию с четкими краями при сохранении здоровой ткани.

Шаг 3: Моделирование хирургического подхода

С 3D-моделью, загруженной в рабочую станцию планирования (часто интегрированную с PACS), хирург может имитировать различные траектории, разрезы и размещения инструментов. Это особенно полезно в черепной хирургии, где оптимальная точка входа и угол должны избегать красноречивой коры и основных сосудов. Некоторые платформы PACS теперь включают возможности просмотра виртуальной реальности, позволяя хирургу «пройти» анатомию, прежде чем войти в ИЛИ.

Шаг 4: Экспорт данных в навигационную систему

После завершения плана соответствующие серии изображений и маски сегментации экспортируются в DICOM или фирменный формат, совместимый с навигационной системой. Эта передача может быть выполнена через локальную сеть, USB или облачные решения PACS. Важно проверить, что экспортируемые данные поддерживают пространственные координаты и правильно помечены, чтобы избежать несоответствия при регистрации.

Интраоперационное использование PACS

Во время операции PACS играет двойную роль: обеспечивает доступ в режиме реального времени к предоперационным изображениям и, в некоторых конфигурациях, позволяет обновлять интраоперационные изображения.

Интраоперационные обновления изображений

В процедурах, где происходит смещение мозга или деформация тканей (например, во время резекции опухоли), оригинальное сканирование PACS может больше не быть точным. Расширенные операционные оснащены интраоперационными КТ или МРТ-сканерами, которые получают новые изображения и отправляют их непосредственно в PACS. Обновленные изображения затем используются для перерегистрации, позволяя навигационной системе корректировать анатомические изменения. Этот итеративный процесс резко улучшает полноту резекции опухоли при хирургии глиобластомы.

Живое сотрудничество через PACS

PACS поддерживает междисциплинарное сотрудничество во время операции. Нейрохирург может поделиться живым навигационным видом с удаленным радиологом или патологоанатомом через безопасную связь PACS, получая консультации в режиме реального времени по границам тканей или целям биопсии. Эта телесотрудничество особенно ценно в учебных больницах и сложных случаях, когда требуется консультация экспертов.

Минимизация радиационного облучения

Одним из самых больших преимуществ интегрированной навигации PACS является сокращение интраоперационной флюороскопии. При точной предоперационной регистрации хирурги могут размещать винты или катетеры без повторных рентгеновских лучей. Исследование в журнале нейрохирургии: Спина показало, что использование навигации на основе PACS снизило интраоперационное радиационное воздействие на хирургическую команду до 90% Исследование позвоночника JNS по снижению излучения .

Преимущества PACS для хирургических результатов

Интеграция PACS в хирургическую навигацию обеспечивает многогранные преимущества, которые выходят за рамки операционной.

Улучшенная точность: Подмиллиметровая регистрация изображений PACS для анатомии пациента уменьшает ошибки в локализации цели, что приводит к более высоким показателям успеха для биопсии, резекций и имплантации.

Более короткие сроки операции: Более быстрый доступ к изображениям и заранее спланированным траекториям означает меньше времени, затрачиваемого на поиск ориентиров или интерпретацию анатомии во время операции.

Улучшение безопасности пациентов: Снижение радиационного облучения и снижение риска ятрогенных травм из-за точного руководства.

Повышение образовательной ценности: PACS позволяет хирургическим стажёрам рассматривать случаи до и после операции, соотнося результаты визуализации с интраоперационным видео, тем самым ускоряя кривую обучения.

Экономия средств: Более короткие процедуры и меньшее количество осложнений приводят к сокращению госпитализации и снижению общих расходов на здравоохранение.

Больницы, которые внедрили интегрированную навигацию PACS, сообщают о 30-40-процентном сокращении ревизионных операций для спинальных и черепных процедур, согласно данным руководства FDA по компьютерным хирургическим системам.

Проблемы в навигации на основе PACS

Несмотря на свои явные преимущества, развертывание PACS для оперативного руководства представляет собой несколько препятствий, которые необходимо устранить.

Техническая совместимость и совместимость

Различные поставщики PACS и навигационные системы часто используют собственные протоколы или форматы. Даже в стандарте DICOM метаданные, необходимые для регистрации (например, ориентация на пациента, интервал между срезами), могут быть потеряны или неправильно истолкованы. Учреждения должны инвестировать в промежуточное ПО или универсальных зрителей, которые могут гармонизировать данные между системами. Инициатива Интеграция предприятия здравоохранения (IHE) представила профили специально для хирургических навигационных рабочих процессов, но принятие все еще неполно.

Стоимость и инфраструктура

Обновление до PACS, способного к навигации в режиме реального времени, требует значительных инвестиций в аппаратное обеспечение (дисплеи с высоким разрешением, передовые рабочие станции, сетевые коммутаторы) и лицензии на программное обеспечение. Больницы также должны выделять средства на техническое обслуживание и периодические обновления, чтобы идти в ногу с развивающимися стандартами безопасности и технологией визуализации.

Обучение и интеграция рабочего процесса

Хирурги, радиологи и сотрудники ИЛИ нуждаются в обучении не только технической эксплуатации ПАКС, но и новым рабочим процессам. Например, предоперационная сегментация требует времени; если она не правильно интегрирована в хирургический график, это может вызвать задержки. В некоторых учреждениях работают специализированные специалисты по визуализации или «навигаторы ПАКС», чтобы помочь с подготовкой к случаю.

Безопасность данных и конфиденциальность пациентов

Доступ к PACS в режиме реального времени в сетевой ИЛИ увеличивает поверхность атаки для киберугроз. Больницы должны обеспечить защиту серверов PACS надежными брандмауэрами, шифрованием и контролем доступа. Соблюдение HIPAA (в США) или GDPR (в Европе) является обязательным, особенно при обмене навигационными данными с удаленными сотрудниками.

Опрос, проведенный Американским колледжем радиологии, показал, что 60% администраторов PACS считают кибербезопасность своей главной заботой в течение следующих пяти лет (] Ресурсы безопасности данных ACR).

Будущие направления: ИИ, облако и дальше

Следующее поколение PACS будет быстрее, умнее и глубже интегрировано в хирургические рабочие процессы.

Искусственный интеллект и автоматическая сегментация

Алгоритмы ИИ уже внедряются в PACS для автоматического сегментирования органов, обнаружения поражений и даже подсказки хирургических полей. Это уменьшает ручные усилия предоперационного планирования и может обеспечить обратную связь в реальном времени во время операции. Например, модель ИИ может выделить зрительный нерв в синусовой хирургии КТ, предупреждая хирурга держать инструмент подальше.

Облачные PACS и 5G-подключение

Облачный PACS позволяет хирургам получать доступ к исследованиям изображений и навигационным планам из любого места, используя любое устройство. С развертыванием сетей 5G задержка передачи больших наборов данных (например, 3D-томтрики) будет опускаться ниже 10 миллисекунд, что делает возможным истинное дистанционное руководство в реальном времени. Это может позволить опытным хирургам помогать в случаях в отдаленных или недостаточно укомплектованных больницах без поездок.

Цифровые близнецы и персонализированные модели

Сочетая изображения PACS с геномикой, лабораторными значениями и биомеханическими данными, исследователи строят «цифровых близнецов» пациентов — динамические виртуальные модели, имитирующие живую анатомию. В ИЛИ хирург может взаимодействовать с цифровым близнецом через PACS, тестируя различные маневры в симуляции перед их выполнением на пациенте. Эта концепция все еще зарождается, но имеет огромные перспективы для сложных реконструктивных и онкологических операций.

Стандарты совместимости Эволюция

Новые стандарты, такие как DICOMweb и FHIR, позволяют легче интегрировать PACS с другими хирургическими системами.В будущем хирург может нажать кнопку на навигационной системе, чтобы запросить новое интраоперационное сканирование, и он автоматически появится в PACS в течение нескольких секунд, при этом все метаданные правильно выровнены.

Заключение

PACS эволюционировала из простого архива изображений в динамическую платформу для оперативной навигации и планирования в реальном времени. Обеспечивая мгновенный доступ к высококачественной визуализации, инструментам сегментации и интеграции с навигационными системами, PACS дает хирургам возможность выполнять процедуры с беспрецедентной точностью и безопасностью. В то время как проблемы стоимости, совместимости и обучения остаются, постоянное продвижение стандартов ИИ, облачных вычислений и совместимости обещает сделать эти системы еще более мощными и доступными. Хирургические команды, которые инвестируют в овладение навигацией на основе PACS сегодня, будут хорошо расположены для обеспечения лучших результатов для своих пациентов завтра.

Независимо от того, являетесь ли вы хирургом, радиологом или администратором больницы, понимание того, как оптимизировать PACS для хирургической навигации, является важным шагом на пути к достижению тройной цели здравоохранения: улучшение опыта пациентов, улучшение здоровья населения и снижение затрат на душу населения.