Потенциал навигации с помощью дополненной реальности во время операции на кардиохирургическом устройстве

Эволюционная роль дополненной реальности в хирургии кардиохирургических устройств

Хирургия кардиостимуляторов, включая имплантацию кардиостимуляторов, имплантируемых кардиовертер-дефибрилляторов (ICD) и устройств сердечной ресинхронизации (CRT) требует высокой точности. Субоптимальное размещение свинца может привести к сбою в темпе, стимуляции френического нерва или повышенному риску дислокации. В течение десятилетий фтороскопическое руководство было стандартом, но оно предлагает только двумерную проекцию и подвергает ионизирующее излучение как пациента, так и хирургическую команду. Дополненная реальность (AR) появляется в качестве преобразующего дополнения, накладывая трехмерные анатомические данные непосредственно на поле зрения хирурга. В этой статье рассматриваются технические основы, клинические преимущества, текущие проблемы и будущая траектория навигации с помощью AR для хирургии сердечного устройства.

Технические основы AR в операционной

Системы дополненной реальности для хирургии обычно полагаются на одну из двух основных парадигм отображения: головные дисплеи (HMD), такие как Microsoft HoloLens или Magic Leap, или проекционные системы, которые отбрасывают цифровые изображения на тело пациента или полупрозрачный экран. В лаборатории кардиологической электрофизиологии система AR сначала калибруется до анатомии пациента. Предоперационная компьютерная томография (CT) или магнитно-резонансная томография (МРТ) сканируются для создания 3D-моделей сердца, больших сосудов, грудной стенки и области имплантата. Во время процедуры датчики отслеживания в реальном времени (оптические, электромагнитные или инерционные) регистрируют хирургические инструменты и положение пациента относительно виртуальной модели. Получающаяся оверлейная обновляемость непрерывно, позволяя хирургу видеть, например, оптимальную траекторию для свинца, как если бы он был проецирован на бьющееся сердце.

Интеграция с интраоперационными методами визуализации добавляет еще один слой точности. Эхокардиография - как трансторакальная, так и трансэзофагеальная - может быть объединена с AR-рендерингом для обеспечения деталей мягких тканей, которые КТ или МРТ могут не захватывать в режиме реального времени. Некоторые современные системы AR также сливаются с данными электрического картирования с трехмерных электроанатомических картографических платформ (например, CARTO, EnSite или Rhythmia), позволяя хирургу визуализировать рубцовую ткань, проводящие пути и электрические последовательности активации наряду с анатомической моделью. Эта конвергенция потоков визуализации создает всеобъемлющую динамическую хирургическую дорожную карту.

Ключевые аппаратные и программные компоненты

• Программное обеспечение для сегментации и моделирования: Расширенные алгоритмы (часто использующие машинное обучение) автоматически или полуавтоматически сегментируют сердечные камеры, клапаны, коронарные синусы и френические нервы из наборов данных DICOM.
• Системы отслеживания: Оптические трекеры (например, инфракрасные камеры, отслеживающие световозвращающие маркеры) обеспечивают высокую точность, в то время как электромагнитные трекеры избегают ограничений прямой видимости, но могут быть затронуты металлическими инструментами.
• Регистрационные алгоритмы: Жесткая или деформируемая регистрация выравнивает предоперационную модель с интраоперационной анатомией. Деформируемая регистрация особенно важна в кардиохирургии, потому что сердце движется и деформируется во время сердечного и дыхательного циклов.
• Дисплей и пользовательский интерфейс: HMD обеспечивают бинокулярные сигналы глубины и опыт просмотра без помощи рук, но могут вызывать напряжение глаз во время длительных процедур. Системы на основе проекции уменьшают оборудование, которое носит хирург, но требуют четкой линии проекции.

Клинические преимущества перед обычной флюороскопией

Основное преимущество навигации с помощью AR заключается в уменьшении зависимости от двумерных фтороскопических снимков. При обычной имплантации свинца хирург получает несколько фтороскопических изображений (обычно постэроантериорных и боковых) для измерения положения свинца относительно таких ориентиров, как правая желудочковая вершина или коронарный синус. Этот процесс является итеративным и может быть прерван движением пациента или дыхательными сдвигами. AR обеспечивает непрерывную трехмерную ссылку, которая сохраняется даже тогда, когда флюороскопия не активна.

Улучшенная анатомическая точность

Исследования показали, что размещение свинца с AR-направлением достигает более низких порогов скорости и меньшего количества отклонений по сравнению с одной только флюороскопией. Например, технико-экономическое обоснование, опубликованное в Heart Rhythm , продемонстрировало, что операторы, использующие наложение на основе HoloLens, смогли позиционировать левожелудочковые лиды в коронарном пазухе со средним угловым отклонением менее 5° от запланированной траектории, тогда как группа только с флюороскопией имела среднее отклонение, превышающее 12°. В бивентрикулярной скорости для CRT точное размещение свинца напрямую связано с гемодинамическим ответом и клиническими результатами, такими как обратное ремоделирование и снижение госпитализации по сердечной недостаточности.

Снижение радиационного воздействия

Имплантация пейсмейкера и МКБ, особенно сложные процедуры, такие как модернизация ЭЛТ или экстракция свинца, могут включать значительное кумулятивное радиационное воздействие как на пациента, так и на персонал. Навигация с помощью АР позволяет хирургу выполнять большие части процедуры без флюороскопии. У некоторых ранних приемников общее время флюороскопии было сокращено на 60-70%, в то время как доза облучения оператору упала до уровня, близкого к фоновому. Это особенно полезно для пациентов, которым требуется многократная ревизия устройства в течение жизни, а также для беременных сотрудников или тех, у кого есть пределы профессионального воздействия.

Более короткая продолжительность процедуры и кривая обучения

Как это ни парадоксально, но впервые использование AR может удлинить процедуру из-за настройки системы и калибровки. Однако после короткого периода обучения — обычно от пяти до десяти случаев — опытные операторы сообщают о чистом сокращении общего времени процедуры. Визуальное руководство в реальном времени уменьшает необходимость повторного перепозиционирования и подтверждающих фтороскопических прогонов. Для менее опытных операторов (например, стажеров в электрофизиологии) AR может ускорить кривую обучения, обеспечивая четкое 3D-понимание анатомии, которое учебники и 2D-флуороскопия не могут полностью передать.

Современные проблемы и барьеры для широкого распространения усыновления

Несмотря на многообещающие ранние данные, навигация с помощью AR еще не стала стандартом лечения в хирургии сердечного аппарата.Сохраняются несколько существенных препятствий.

Технические ограничения

• Регистрационный дрейф и компенсация движения: Бегущее сердце и дыхательное движение создают движущуюся цель. Большинство современных систем полагаются на периодическую перерегистрацию или дыхательное жевание, но истинная деформируемая регистрация в реальном времени, которая постоянно адаптируется, по-прежнему является областью активных исследований.
• Закрытие и проблемы с линией зрения: На дисплеях, установленных на голове, пользователь должен держать отслеживаемые инструменты в поле зрения камеры. Если хирург смотрит в сторону или инструмент скрыт телом пациента, наложение может отставать или исчезнуть.
• Программные средства для массовых и эргономичных операций: Раннее поколение HMD относительно тяжелое и может вызвать усталость во время процедур, длящихся несколько часов.Некоторые системы также мешают хирургическим лупам или требуют дополнительных головных уборов, которые конкурируют со стерильными шторами и колпачками.

Требования к стоимости и ресурсам

Полностью интегрированная система дополненной реальности для лаборатории электрофизиологии, включая HMD, камеры слежения, мощные рабочие станции и лицензии на программное обеспечение, может стоить от 150 000 до 300 000 долларов США. Регулярное техническое обслуживание, обновления программного обеспечения и специальная техническая поддержка добавляют периодические расходы. Для многих больниц, особенно в условиях ограниченных ресурсов, окупаемость инвестиций остается неопределенной без более надежных перспективных данных, показывающих ощутимое сокращение осложнений или повторных операций. Коды возмещения для навигации с помощью AR еще не установлены Medicare или частными страховщиками в большинстве стран, что затрудняет больницам окупить первоначальные затраты.

Обучение и интеграция рабочего процесса

Хирурги и электрофизиологический персонал должны тратить время на тренировки, часто продолжительностью от одного до двух полных дней, чтобы стать опытными в системе AR. Рабочий процесс операционной комнаты должен быть отрегулирован для размещения дополнительной фазы настройки - передачи изображения, сегментации, калибровки и регистрации - которая может добавить от 15 до 30 минут до первого разреза. Во время напряженного дня имплантатов устройства любое дополнительное время подготовки нежелательно. Кроме того, наложение должно быть легко интегрировано с существующим оборудованием, таким как C-arm, ультразвуковая консоль и система отображения. Производители работают над совместимостью с подключаемой и воспроизводимой системой, но совместимость остается болевой точкой.

Регулирование и валидация Hurdles

Лишь немногие системы хирургического руководства АР получили разрешение FDA или маркировку СЕ для применения в кардиологии. Регулирующие органы требуют доказательств безопасности и эффективности от хорошо продуманных клинических исследований, которые являются дорогостоящими и трудоемкими для проведения. По состоянию на 2025 год большинство опубликованных исследований АР в хирургии кардиологического устройства представляют собой небольшие, одноцентровые осуществимость или пилотные испытания. Большие многоцентровые рандомизированные контролируемые испытания проводятся, но еще не сообщают о результатах. Без доказательств уровня I принятие консервативными практиками и институциональными наблюдательными советами останется ограниченным.

Возникающий исследовательский и клинический пробный ландшафт

Несколько заметных клинических испытаний активно исследуют AR для имплантации сердечного устройства. Испытание AR-PACE является перспективным, многоцентровым, не имеющим неполноценности исследованием, сравнивающим размещение свинца с кардиостимулятором под руководством AR с обычным фтороскопическим руководством. Первичные конечные точки включают в себя скорость процедурного успеха, вывих свинца на 90 дней и общее радиационное воздействие. Промежуточные анализы, представленные на заседании Общества сердечного ритма 2024 года, показали точность размещения свинца на 95% в пределах 2 мм от запланированной цели в группе AR по сравнению с 78% в контрольной группе, с сокращением времени флюороскопии на 65%.

Другое продолжающееся исследование, AR-CRT (NCT05174195), фокусируется конкретно на размещении свинца левого желудочка в кандидатах на CRT. Используя накладку AR, которая объединяет коронарную синусовую венографию с предоперационной КТ, операторы получают 3D-проекцию целевой ветви и курс френического нерва. Ранние результаты от 40 пациентов не продемонстрировали случаев стимуляции френического нерва, требующих пересмотра свинца, по сравнению с исторической скоростью примерно 12%.

Помимо клинических результатов, исследователи также оценивают человеческие факторы AR в OR. Исследование в клинике Майо использовало отслеживание глаз, интегрированное с гарнитурой AR, для измерения моделей взгляда хирурга. Они обнаружили, что AR уменьшил количество раз, когда хирург смотрел от пациента к монитору, в среднем на 40%, потенциально улучшая ситуационную осведомленность и уменьшая когнитивную нагрузку.

Роботизированные катетерные системы, такие как платформы Hansen Sensei или Corindus CorPath, могут быть объединены с наложениями AR, чтобы хирург мог манипулировать выводами с консоли, видя как виртуальную модель, так и ленту камеры в реальном времени, проецируемую в AR. Эта конвергенция AR, AI и робототехники может в конечном итоге привести к полностью или полуавтоматизированной имплантации устройства, где система выполняет самую безопасную заранее запланированную траекторию, пока хирург контролирует. Исследователи из Имперского колледжа Лондона уже продемонстрировали роботизированную руку, управляемую AR, которая помещает скользящий свинец на фантомную модель сердца с субмиллиметровой точностью.

1. Проведите оценку потребностей: Определите типы операций на устройстве, которые наиболее вероятно принесут пользу (например, модернизация ЭЛТ с сложной венозной анатомией, педиатрическими имплантатами или случаями, требующими подходов с нулевой фтороскопией).
2. Выберите AR-систему, которая интегрируется с существующими платформами визуализации и картографирования. Многие вендоры предлагают демонстрационные устройства, которые можно опробовать в течение нескольких недель.
3. Создайте специального чемпиона команды: Назначьте одного хирурга и одного технолога, чтобы получить интенсивное практическое обучение от производителя, а затем обучить остальную команду.
4. Разработать поэтапное развертывание: Начните с простых имплантатов правого желудочка в простой анатомии, затем постепенно переходите к более сложным процедурам. Отслеживайте ключевые метрики: время установки, время флюороскопии, точность положения свинца и пороговые параметры.
5. Участвуйте в реестре или клиническом исследовании , чтобы предоставить данные и получить доступ к экспертной поддержке. Сотрудничество с такими учреждениями, как Техасский институт сердца может дать представление о лучших практиках и подводных камнях.
6. Внедрить протокол радиационной безопасности, который учитывает ожидаемое снижение флюороскопии. Убедитесь, что команда не успокоится — отказ AR может потребовать немедленного перехода на обычное руководство.

Будущий прогноз: на пути к персонализированной, богатой данными хирургии

Дополненная реальность не является автономной революцией; это ключевой компонент более широкого перехода к персонализированной хирургии, основанной на данных. Поскольку больничные системы генерируют все большее количество структурированных процедурных данных (изображение, электрические записи, метаданные производительности устройства), AR может служить визуальным интерфейсом, через который эти данные интуитивно исследуются. Представьте себе будущее, где, прежде чем сделать разрез кожи, хирург видит цветное наложение на груди пациента, которое показывает вероятность встречи с конкретной коронарной веной, полученной из модели машинного обучения, обученной анатомии этого конкретного пациента. Этот сценарий уже прототипируется в исследовательских лабораториях.

Широкое клиническое внедрение, вероятно, будет следовать шаблону, наблюдаемому с другими технологическими сдвигами в электрофизиологии, такими как переход от флюороскопии только к электроанатомическому картированию. Первоначально ограниченный несколькими новаторами, AR постепенно станет более доступным, эргономичным и интуитивно интегрированным. Ключевыми факторами будут улучшенная автоматизация программного обеспечения, нормативные разрешения, поддерживаемые надежными доказательствами, и пути возмещения, которые признают ценность снижения осложнений и радиационного воздействия. Общество сердечно-сосудистой ангиографии и вмешательств [FLT: 1] и [FLT: 2] уже сформировали целевые группы для разработки консенсусных документов по AR и виртуальной реальности в сердечных процедурах.

Вывод: Измеренное, но сильное одобрение

Навигация с помощью дополненной реальности обладает трансформирующим потенциалом для хирургии кардиохирургических устройств. Ранние клинические данные демонстрируют улучшение точности размещения свинца, снижение радиационного облучения и благоприятные тенденции в процедурной эффективности. Технология устраняет основные недостатки фтороскопического руководства, обеспечивая непрерывный трехмерный пространственный контекст, который снижает когнитивную нагрузку на хирурга. Однако AR еще не является полностью зрелой или проверенной технологией в этой области. Стоимость, трение рабочего процесса и необходимость более окончательных крупномасштабных испытаний являются значительными барьерами, которые необходимо устранить, прежде чем AR станет стандартным инструментом в электрофизиологической лаборатории.

Для хирургов и администраторов больниц, оценивающих AR, разумен взвешенный подход: инвестировать в обучение, участвовать в клинических исследованиях и начинать с тщательно отобранных случаев. По мере увеличения вычислительной мощности и автоматизации на основе ИИ сокращается время установки, ценностное предложение AR будет только укрепляться. Конечными бенефициарами будут пациенты, которые будут испытывать более безопасные, более точные и менее инвазивные процедуры. Хирургическое сообщество должно принять эту технологию, но с строгостью и основанными на фактических данных стандартами, которые определяют самое высокое качество сердечной помощи.