Использование навигационных технологий для повышения точности размещения спинномозговых имплантатов

Введение в навигационные технологии в спинальной хирургии

Точное размещение спинномозговых имплантатов уже давно является краеугольным камнем успешной хирургии позвоночника. Наложение винтов, стержней или клеток может привести к травме нервных корешков, сосудистому компромиссу, псевдодартрозу и необходимости процедур ревизии. Традиционные методы свободного рукопожатия опираются на анатомические ориентиры и опыт хирурга, но даже в руках экспертов скорость смещения винтов колеблется от 5% до 15% в зависимости от сегмента позвоночника. Навигационная технология появилась как преобразующий инструмент для повышения точности, уменьшения осложнений и расширения возможностей минимально инвазивной и сложной операции деформации.

Современные навигационные системы интегрируют визуализацию в режиме реального времени с компьютерным отслеживанием, чтобы обеспечить хирургам динамическое трехмерное представление анатомии пациента на протяжении всей процедуры. Связывая хирургические инструменты с предоперационным или интраоперационным сканированием, эти платформы обеспечивают субмиллиметровую точность в размещении имплантатов. Принятие навигации в хирургии позвоночника ускорилось за последнее десятилетие, что обусловлено растущими доказательствами его клинических преимуществ и снижением стоимости высокопроизводительного вычислительного оборудования.

В этой статье рассматриваются типы навигационных технологий, используемых в хирургии позвоночника, их преимущества, ограничения и клинические данные, подтверждающие их роль в повышении точности имплантата. В ней также рассматриваются текущие достижения, которые обещают дальнейшее совершенствование хирургических рабочих процессов и результатов лечения пациентов.

Исторический контекст и эволюция спинальной навигации

Концепция хирургии с визуальным управлением восходит к 1990-м годам, когда безрамочные стереотаксические системы впервые вошли в нейрохирургию. Ранние системы для применения в позвоночнике использовали оптическое отслеживание инструментов по сравнению с предоперационными КТ-сканированием. Хотя они обеспечивали значительный скачок только по флюороскопии, они требовали жесткой фиксации опорных массивов на позвоночник и тщательной регистрации изображения анатомии пациента. Любое движение опорной рамки или сдвиг в положении пациента во время операции может аннулировать навигацию.

Технологические улучшения в разрешении камеры, алгоритмах отслеживания и аппаратном обеспечении визуализации неуклонно повышали надежность. Внедрение интраоперационной КТ и 3D-флуороскопии устраняло необходимость ручной регистрации во многих случаях, поскольку сканер мог приобретать объем, который автоматически сорегистрировался на приборном трекере. Совсем недавно сочетание навигации с роботизированной помощью создало синергетические платформы, где роботизированная рука либо направляет руку хирурга, либо непосредственно помещает имплантат под навигационный контроль.

Сегодня спинальная навигация больше не является нишевым инструментом, зарезервированным для академических центров. Она стала стандартом ухода во многих больницах за сложной деформацией, ревизионной хирургией и минимально инвазивным трансфораминным поясничным слиянием между телами (MIS-TLIF). Эволюция продолжается с гарнитурами дополненной реальности (AR), сегментацией с искусственным интеллектом (AI) и биомеханической обратной связью в реальном времени.

Виды навигационных технологий

Системы спинальной навигации подразделяются на три широкие категории, основанные на методах визуализации и отслеживания. Каждая из них имеет уникальные сильные стороны и сценарии наилучшего использования.

Флюороскопия-управляемая навигация

Навигация на основе флуороскопии использует обычную C-руку или O-руку для получения интраоперационных 2D или 3D-изображений. В 2D-режиме система непрерывно получает рентгеновские изображения и накладывает положения приборов на живой флюороскопический вид. Это особенно полезно для чрескожного размещения педикулярного винта и вертебропластики, где важна обратная связь в реальном времени. 3D-режим (часто называемый изоцентрической или конусно-лучевой КТ) вращает C-руку вокруг пациента, чтобы захватывать несколько изображений, которые реконструируются в объемный набор данных. Этот набор данных автоматически регистрируется в навигационной системе, устраняя необходимость ручной регистрации точки-точки.

Преимущества включают в себя более низкую капитальную стоимость по сравнению с специализированными КТ-сканерами, совместимость с существующими установками ИЛИ и - в случае 2D-режима - непрерывную визуализацию без дополнительного излучения от самой навигационной системы. Однако 2D-флуороскопии не хватает информации о глубине, необходимой для сложных случаев деформации, а 3D-флуороскопия часто имеет меньшее поле зрения, чем полное КТ-сканирование, что может потребовать нескольких приобретений.

Навигация на основе CT

Выделенные интраоперационные КТ-сканеры, такие как КТ-единицы с О-рукой или конусным лучом, обеспечивают 3D-изображения высокого разрешения, которые охватывают все хирургическое поле. Также может использоваться предоперационная КТ, но интраоперационное сканирование захватывает пациента в точном хирургическом положении, учитывая любые постуральные изменения с момента диагностического сканирования. Регистрация обычно автоматическая с использованием фидуциальных маркеров или сопоставления поверхности, а навигационная система отслеживает инструменты относительно объема КТ.

Навигация на основе КТ обеспечивает высочайшую пространственную точность (часто <1 мм) и является предпочтительной модальностью для комплексной коррекции деформации, ревизионной хирургии, где анатомия искажена, и размещения имплантатов в крестце или тазу. Основными недостатками являются высокая стоимость КТ-блока, необходимость радиационного экранирования и потенциал металлического артефакта от предыдущих имплантатов для ухудшения качества изображения.

Оптические и электромагнитные системы слежения

Технология слежения определяет положение хирургических инструментов относительно анатомии пациента. Оптические системы используют инфракрасные камеры для обнаружения светоизлучающих диодов (активных маркеров) или отражающих сфер (пассивных маркеров), прикрепленных к эталонной раме, закрепленной на позвоночнике и инструментах. Эти системы обеспечивают высокую точность (0,1–0,3 мм) и большой рабочий объем, но они требуют четкой линии зрения между камерой и маркерами. Любое препятствие руками хирурга, инструментами или шторами может прерывать слежение.

Электромагнитное (ЭМ) отслеживание использует генератор поля, который излучает низкочастотное магнитное поле. Датчики на приборах и эталонной раме сообщают о своем положении в поле. ЭМ-системы не требуют линии обзора, что делает их идеальными для минимально инвазивных процедур, когда инструменты проходят через небольшие разрезы, а руки хирурга близки к полю. Однако точность ЭМ может быть ухудшена ферромагнитными металлическими объектами (например, инструментами, кроватями пациента), и поле может быть искажено большими структурами, такими как само тело пациента. Последние системы включают алгоритмы компенсации для повышения надежности.

Гибридные системы, сочетающие в себе опто- и ЭМ-отслеживание, также появляются, предлагая лучшие из обеих технологий в одной платформе.

Клинические данные и преимущества навигации для точности имплантации

Большой объем литературы поддерживает утверждение, что навигация повышает точность размещения спинномозговых имплантатов. Систематические обзоры и мета-анализы последовательно сообщают о значительно более низких показателях смещения шнеков педикуля при использовании навигации по сравнению с техникой фрихенда. Например, мета-анализ более 25 000 винтов в 2019 году обнаружил объединенную частоту неправильного расположения 6% в группе фрихенда по сравнению с 2,3% в группе управляемости - снижение более чем на 60%. Преимущество было наиболее выраженным в грудном отделе позвоночника, где морфология педикуля более изменчива, а ошибки фрихенда выше.

Навигация также снижает частоту клинически значимых нарушений, которые приводят к раздражению нервных корешков или отказу оборудования. В проспективном исследовании более 2000 винтов, размещенных с интраоперационной навигацией на основе КТ, только 0,8% требовали пересмотра из-за неправильного расположения, по сравнению с историческими показателями 3-5% с техникой свободной руки.

Помимо точности, навигация предлагает несколько преимуществ:

Доказательства достаточно убедительны, чтобы несколько профессиональных обществ, включая Североамериканское общество позвоночника (NASS), теперь рекомендовали навигацию для сложной хирургии позвоночника и для размещения грудных винтов.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои преимущества, спинальная навигация не лишена проблем. Понимание этих ограничений имеет решающее значение для надлежащей реализации и во избежание чрезмерной зависимости от технологии.

Требования к стоимости и ресурсам

Первоначальные инвестиции в навигационную систему составляют от 200 000 до 500 000 долларов США для камеры и программного обеспечения, плюс стоимость интраоперационного КТ-сканера, если он еще не доступен (другие 300 000-700 000 долларов США). Одноразовые маркерные массивы, стерильные шторы и контракты на техническое обслуживание добавляют постоянные расходы. Более мелкие больницы или хирургические центры могут найти первоначальные затраты непомерными. Однако анализ экономической эффективности 2020 года показал, что для центров с большим объемом (> 100 инструментальных случаев в год) сокращение операций по пересмотру компенсирует стоимость оборудования в течение 2-3 лет.

Кривая обучения

Хирурги, привыкшие к технике фрихенда, должны научиться интерпретировать данные, ориентирующиеся на ситуационную осведомленность. Начальная кривая обучения (оцениваемые 20–50 случаев) включает в себя удобство регистрации, калибровки приборов и устранения общих технических сбоев. В этот период время операции может увеличиться, а точность может не сразу соответствовать результатам фрихенда. Структурированные программы обучения и моделирование могут помочь смягчить кривую обучения, но это остается препятствием для принятия.

Технические ошибки и неточности

Навигация зависит от целостности опорной точки, закрепленной на позвоночнике пациента. Если опорная рама смещается (например, из-за перепозиционирования пациента или столкновения с инструментом), вся навигация становится неточной. Хирурги должны регулярно проверять точность, касаясь известного анатомического ориентира и сравнивая положение на экране с реальным. Другие распространенные режимы отказа включают сбои программного обеспечения, ошибки отслеживания камеры и истощение активных маркеров. Опираясь исключительно на навигацию без сохранения опыта в технике свободного управления может быть опасным в случае сбоя системы.

Проблемы регистрации

В навигации на основе КТ регистрация между изображением и пациентом может быть затруднена при наличии тяжелой остеопении, крупных металлических артефактов или когда доступно только ограниченное количество фидуциальных точек. Поверхностная регистрация (например, с помощью зонда для отображения задних элементов) хорошо работает в большинстве случаев, но может выйти из строя, если открытая кость покрыта мягкой тканью или кровью. Интраоперационная КТ избегает этих проблем, сканируя пациента с помощью эталонной рамки на месте, но добавляет излучение (хотя обычно низкая доза).

Будущие направления

Область спинальной навигации продолжает стремительно развиваться. Несколько нововведений на горизонте обещают еще больше повысить точность, сократить расходы и расширить доступ.

Дополненная реальность (AR) Хирургическая микроскопия

Наушники дополненной реальности или микроскопические дисплеи могут накладывать навигационную информацию непосредственно на вид хирурга пациента. Это устраняет необходимость смотреть на отдельный монитор и снижает усталость движения головы. Ранние клинические серии показывают, что навигация на основе AR достигает эквивалентной точности традиционной навигации при потенциальном улучшении эргономики и рабочего процесса ИЛИ. Некоторые системы теперь проектируют 3D-голограммы запланированной траектории винта на кожу пациента, позволяя хирургу увидеть весь путь, прежде чем делать разрез.

Искусственный интеллект и машинное обучение

Алгоритмы ИИ могут помочь в автоматической сегментации изображений КТ, идентификации точек входа в шнековую траекторию и даже оценке параметров винтовой траектории в реальном времени. В сочетании с навигацией ИИ может снизить когнитивную нагрузку на хирурга и уменьшить время планирования. Модели машинного обучения, обученные на больших базах данных предыдущих успешных случаев, также используются для прогнозирования оптимальной длины и диаметра шнека для каждого шнека, что еще больше повышает точность.

Роботизированная навигация

Сближение робототехники и навигации привело к появлению таких платформ, как Mazor X и Globus ExcelsiusGPS. В этих системах роботизированная рука позиционирует направляющий сверло или канюлю вдоль запланированной траектории, либо под контролем хирурга, либо полуавтономно. Роботизированная рука компенсирует дрожь рук и обеспечивает физическое руководство, которое особенно полезно при минимально инвазивных подходах. Метаанализ 2023 года показал, что роботизированная навигация имела коэффициент точности винта 98,6%, что значительно выше, чем у свободной руки (93,2%) и аналогично стандартной навигации (97,8%), но с добавленной согласованностью и сокращением рабочего времени.

Адаптивное интраоперационное изображение

Будущие навигационные системы могут включать гибкую визуализацию, которая адаптируется к анатомии пациента в режиме реального времени. Например, навигация на основе ультразвука изучается как безрадиационная альтернатива для определенных процедур, особенно у педиатрических пациентов. Другим перспективным подходом является использование датчиков, которые взаимодействуют с навигационной системой для обеспечения тактильной обратной связи - предупреждающая вибрация, когда сверло приближается к критической структуре. Эти разработки направлены на то, чтобы сделать навигацию более интуитивной и безопасной.

Снижение затрат и портативность

В настоящее время предпринимаются усилия по разработке компактных, недорогих навигационных систем, которые могут использоваться в амбулаторных условиях и в ограниченных ресурсами средах. Системы на основе планшетов с интегрированными камерами и программным обеспечением уже вступают в клинические испытания. В случае успеха они могут демократизировать доступ к навигации, что позволит большему количеству хирургов во всем мире выполнять точное размещение спинальных имплантатов.

Клиническое принятие решений: когда использовать навигацию

Не каждый случай заболевания позвоночника требует навигации. Хирурги должны взвесить преимущества по сравнению с дополнительным временем установки, стоимостью и радиационным воздействием. На основании текущих данных навигация наиболее четко показана в:

Для простого одноуровневого поясничного слияния с адекватными костными ориентирами у здорового пациента остается приемлемой техника фрихенда, особенно для хирургов с большим опытом.Однако по мере накопления большего количества данных об исходе порог использования навигации продолжает снижаться.

Заключение

Интеграция навигационных технологий в хирургию позвоночника заметно улучшила точность размещения имплантатов, что привело к более безопасным процедурам и лучшим результатам для пациентов. От систем с флюороскопией до передовых роботизированных платформ каждая технология предлагает уникальные сильные стороны, которые подходят для различных клинических сценариев. Доказательства из систематических обзоров и крупных когортных исследований подтверждают, что навигация снижает скорость наложения винта, оперативное время и радиационное воздействие, одновременно улучшая скорость слияния и снижая риск пересмотра. Остаются такие проблемы, как стоимость, кривая обучения и технические сбои, но текущие инновации в AR, AI, робототехнике и портативных системах обещают устранить эти барьеры. Поскольку технология продолжает развиваться и становится более доступной, ее роль в хирургии позвоночника, как ожидается, будет расширяться дальше, предлагая еще большие преимущества как для хирургов, так и для пациентов.

Для дальнейшего чтения о клинических результатах см. систематический обзор 2020 по точности винта на педикле с навигацией и клиническое руководство NASA по навигации в хирургии позвоночника Дополнительная информация о навигации с роботизированной помощью может быть найдена в 2023 мета-анализ роботизированного винта против размещения винта на свободной руке .